پژوهشگران دانشگاه توکیو در دستاوردی قابلتوجه، میکروسکوپی نوین معرفی کردهاند که میتواند فعالیتهای سلولی را از مقیاس میکرومتری تا نانومتری در یک تصویر واحد و پیوسته آشکار کند. این فناوری جدید با ثبت همزمان نور پراکندهشده در دو جهتِ جلو و عقب، تصویری بینظیر از ساختارهای بزرگ سلولی و ذرات فوقریز را بدون نیاز به رنگآمیزی یا مواد نشاندار فراهم میسازد. چنین رویکردی امکان مشاهده فرآیندهای درونسلولی را در حالت طبیعی و بدون هرگونه مداخله فراهم میکند و این میکروسکوپ را به ابزاری قدرتمند برای مطالعه پویایی زندگی درون سلولها تبدیل کرده است. این نوآوری نمونهای از پژوهشهای پیشرو است که «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با هدف حمایت از تحقیقات بنیادین و ارتقای علومپایه تشویق و معرفی میکند.
نمایی تازه از لایههای پنهان زندگی درون سلول
سالهاست که پژوهشگران برای مشاهده جزئیات زندگی درون سلول تلاش میکنند تا بتوانند ویژگیها و فرآیندهای آن را در زمان واقعی شناسایی کنند. اما ابزارهای موجود تنها بخشهایی از این جهان پیچیده را آشکار میسازند. برای مثال:
- میکروسکوپی فاز کمّی (QPM) ساختارهای بزرگتر از حدود ۱۰۰ نانومتر را بهخوبی نشان میدهد، اما توانایی تشخیص ذرات بسیار کوچک را ندارد.
- میکروسکوپی پراکندگی تداخلی (iSCAT) برعکس عمل میکند و قادر است ذرات فوقریز را ردیابی کند، ولی میدان دید محدودتری دارد و اطلاعات گستردهای که QPM ارائه میدهد را پوشش نمیدهد.
این محدودیتها محققان را سالها در برابر یک انتخاب دشوار قرار میداد: «تصویر جامع از کل سلول» یا «مشاهده دقیقترین ذرات درون آن». اما فناوری جدید پژوهشگران دانشگاه توکیو این دوگانگی را از میان برداشته و با ترکیب هوشمندانه دو نوع نور پراکندهشده، هر دو دسته اطلاعات را بهطور همزمان و در یک تصویر واحد ارائه میدهد.
پیشرفتی نو در تصویربرداری کمتهاجمی سلولی
این ابزار که «میکروسکوپ پراکندگی کمّی دوطرفه» نام گرفته، بر آنچه محققان آن را «جمعآوری دوطرفه نور» مینامند تکیه دارد. در این روش، نور پراکندهشده از سلول بهصورت همزمان از دو جهت مخالف یعنی جلو و عقب ثبت میشود. ترکیب این دو داده، تصویری بسیار دقیقتر و کاملتر از ساختار و رفتار سلول ارائه میدهد؛ اطلاعاتی که با روشهای تکجهته در گذشته اساساً دستیافتنی نبود.
کوکی هوریه، یکی از نویسندگان این پژوهش، توضیح میدهد:
«هدف من درک فرآیندهای پویا در سلولهای زنده بدون استفاده از روشهای تهاجمی است. ما میخواستیم بدانیم آیا میتوان با جمعآوری همزمان نور در دو جهت، تصویری پیوسته از جهان میکرو و نانو ارائه داد یا نه.»
ویژگی مهم دیگر این سیستم، برچسبگذارینشده بودن آن است؛ یعنی برای مشاهده سلولها نیازی به افزودن رنگها یا مواد فلورسانس نیست. همین موضوع باعث میشود پژوهشگران بتوانند سلولها را در طولانیمدت و بدون آسیبزدن به ساختار طبیعیشان تحت نظر داشته باشند، مزیتی کلیدی برای حوزههای دارویی، زیستفناوری و مطالعاتی که نیازمند مشاهده سلول در شرایط واقعی هستند.
جالب آنکه این کشف، نمونهای بارز از اهمیت تحقیقات درعلومپایه است؛ جایی که کنجکاوی علمی و درک اصول بنیادی زیستشناسی، توسعه فناوریهایی را ممکن میسازد که میتوانند انقلابی در تصویربرداری سلولی ایجاد کنند. «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با حمایت و ترویج چنین پژوهشهایی، نقش مهمی در ارتقای دانش و تشویق نسل آینده پژوهشگران حوزه علومپایه ایفا میکند.
افزایش ۱۴ برابری دامنه تشخیص؛ استانداردهای جدید تصویربرداری
نتایج حاصل از این پژوهش شگفتانگیز است. میکروسکوپ جدید قادر است سیگنالهایی با دامنه شدت ۱۴ برابر گستردهتر نسبت به ابزارهای متداول ثبت کند. این ویژگی به دستگاه اجازه میدهد هم ساختارهای بزرگ و پرنور سلولی و هم ذرات بسیار کوچک و کمنور را همزمان در یک تصویر واحد مشاهده کند، بدون آنکه سیگنالها یکدیگر را پوشانده یا تداخل ایجاد کنند.
این توانایی، نقطهای کلیدی در طراحی دستگاه محسوب میشود. یکی از بزرگترین چالشها در تصویربرداری نانومقیاس، تمایز دقیق میان سیگنالهای قوی و ضعیف است. اما گروه تحقیقاتی موفق شد این دادهها را بدون ایجاد نویز و اختلاط از یکدیگر جدا کند و تصویری شفاف و کامل ارائه دهد.
تودا، یکی دیگر از نویسندگان مقاله، توضیح میدهد:
«چالش اصلی ما، استخراج همزمان دو نوع سیگنال از یک تصویر بود، به طوری که سیگنالهای ضعیفتر، مانند ذرات نانویی، در میان دادههای قویتر گم نشوند. برای این منظور، الگوریتمها و روشهای پردازش دادهای بسیار دقیق طراحی کردیم که امکان تفکیک بینقص این اطلاعات را فراهم میکرد.»
مطالعه سلولهای در حال مرگ: آزمایشی برای اثبات توان دستگاه
برای ارزیابی تواناییهای این میکروسکوپ، پژوهشگران به سراغ یکی از پیچیدهترین و مهمترین فرآیندهای زیستی رفتند: مرگ برنامهریزیشده سلولی (apoptosis). در این مرحله، سلولها تغییرات گستردهای را تجربه میکنند؛ ساختارهای بزرگتر فروپاشیده و همزمان ذرات بسیار کوچکتر درون سلول آزاد یا جابجا میشوند.
ثبت همزمان این دو نوع تغییر، برای ابزارهای سنتی تقریباً غیرممکن بود، اما میکروسکوپ جدید موفق شد هم ساختارهای در حال تغییر در مقیاس میکرو و هم ذرات کوچک در حال حرکت در مقیاس نانو را در یک تصویر واحد نشان دهد. با تحلیل این دادهها، پژوهشگران توانستند اندازه ذرات و ضریب شکست آنها را تخمین بزنند؛ پارامترهایی که اطلاعات مهمی درباره ماهیت و رفتار ذرات در سلول ارائه میکنند.
این دستاورد نمونهای روشن از اهمیت تحقیقات علومپایه است؛ بدون درک اصول بنیادی زیستشناسی و مطالعه دقیق فرآیندهایی مانند مرگ برنامهریزیشده سلولی، توسعه چنین فناوریهای نوآورانه و توانمند در تصویربرداری سلولی ممکن نبود. مطالعات در حوزه علومپایه این امکان را فراهم میکنند تا فرآیندهای حیاتی سلولی را در سطحی بنیادی درک کنیم و ابزارهایی خلق کنیم که در پزشکی، داروسازی و بیوتکنولوژی کاربردهای گستردهای دارند.
اهمیت ضریب شکست در مطالعه سلولها
ضریب شکست نشان میدهد که نور هنگام عبور از یک ذره تا چه میزان خم یا پراکنده میشود و این ویژگی به ترکیب و ساختار ماده بستگی دارد. با اندازهگیری ضریب شکست، میتوان اطلاعات ارزشمندی درباره ماهیت ذرات بهدست آورد، از جمله اینکه ذرات از چه مواد زیستی ساخته شدهاند و چه تغییراتی درون سلول رخ داده است. توانایی میکروسکوپ در تخمین دقیق ضریب شکست، کاربردهای گستردهای در مطالعه بیماریها، بررسی اثر داروها و درک بهتر رفتار سلولها فراهم میکند. جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان با معرفی چنین دستاوردهایی، فرصتی واقعی برای شناساندن تحقیقات پایه به جامعه علمی و مخاطبان جوان فراهم میکند و مسیر رشد و نوآوری در میان پژوهشگران علوم پایه را هموار میسازد.
وعدهای برای آینده: شناسایی ویروسها و اگزوزومها
پژوهشگران تأکید میکنند که این فقط آغاز مسیر است. آنها امیدوارند در آینده بتوانند با این فناوری ذرات بسیار کوچک مانند اگزوزومها (ذرات ۳۰ تا ۱۵۰ نانومتری که نقش مهمی در ارتباطات سلولی دارند) و حتی ویروسها را با دقت بالا مشاهده کنند.
تودا توضیح میدهد:
«هدف ما استفاده از این میکروسکوپ برای مطالعه ذرات کوچکتر، از جمله اگزوزومها و ویروسها است و تعیین اندازه و ضریب شکست آنها در نمونههای مختلف. همچنین قصد داریم با کنترل شرایط سلولی، فرآیندهای حرکت سلولها به سمت مرگ را بهتر درک کنیم و نتایج خود را با سایر تکنیکها مقایسه کنیم.»
اهمیت میکروسکوپ و چشمانداز آینده
اهمیت این فناوری تنها در ترکیب دو روش تصویربرداری نیست؛ بلکه در ایجاد بستری مشترک برای مشاهده همزمان دنیای میکروسکوپی و نانومقیاس است. این رویکرد میتواند:
- مطالعه بیماریهای سلولی را متحول کند
- فرآیندهای دارویی را دقیقتر سازد
- کنترل کیفیت در صنایع زیستی را بهبود دهد
- درک ما از رفتار دینامیک سلولها را افزایش دهد
علاوه بر این، میکروسکوپ میتواند راهی برای مشاهده رفتار ویروسها در محیط سلولی بدون استفاده از رنگها یا ابزارهای تهاجمی فراهم کند، که تحولی مهم در تحقیقات زیستی و پزشکی به شمار میرود.
بهطور کلی، این پیشرفت نمونهای روشن از تاثیر تحقیقات پایه در توسعه فناوریهای نوآورانه است و «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با معرفی چنین دستاوردهایی، نقش مهمی در ارتقای دانش، ایجاد انگیزه برای پژوهشهای پیشرفته و تقویت علومپایه در نسلهای آینده ایفا میکند.
منبع: Science Daily
