Nobel-díjas eljárással vetekszik a duzzasztásos mikroszkópia

2015.01.12. 14:37

A mikroszkóp alatt nagyobbnak látszanak az élő szervezet szövetei és sejtjei. De mi lenne, ha nem csak nagyobbnak látszanának, hanem ténylegesen felnagyítanánk őket?

Ha valakinek ez olybá hangzik, mintha egy befüvezett tudós találta volna ki, aki túl sokat olvasta az Alice Csodaországban-t, akkor figyelmeztetjük: ez valóság. Pontosan ezen az elven alapul az az új módszer, melynek révén a biológusok akár teljes szerveket tanulmányozhatnak minden eddiginél aprólékosabban, és az optika elvi feloldóképességénél parányibb részleteket tárhatnak fel egy egyszerű fénymikroszkóp segítségével.

Hogyan nagyít a pelenkatöltelék?

Az „expanziós mikroszkópia” névre keresztelt eljárás során fizikailag felduzzasztják a biológiai szöveteket, méghozzá egy olyan anyag felhasználásával, amely közönségesen az eldobható pelenkák nedvszívó magjában fordul elő. A technika atyja Edward Boyden, a Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Egyesült Államok) neuromérnöke, aki két MIT-beli kollégájával, Fei Chennel és Paul Tillberggel együtt dolgozta ki az eljárást.

Egér agyszeletének metszetét (balra) nedvszívó anyaggal ötszörösére nagyították (jobbra). A képen nagyjából egyforma nagyításban látható a két metszet, hogy jobban összehasonlítható legyenek. Jól kivehető, hogy semmilyen strukturális változás nem történt a duzzasztás hatásáraForrás: Boyden, E., Chen, F. & Tillberg, P. / MIT / Courtesy of National Institutes of Health

Az expanziós mikroszkópia felfogható úgy is, mint a 2014-es kémiai Nobel-díjat kiérdemlő szuperfelbontású mikroszkópia kiegészítő párja. Mindkét módszer a fizika törvényei szabta korlátokat próbálja feszegetni, csak más-más megközelítéssel. Ernst Abbe német fizikus 1873-ban arra a következtetésre jutott, hogy az optikai mikroszkópok (akkor még csak olyanok voltak) maximális feloldóképességének a látható fény hullámhossza elvi határt szab: fénymikroszkóppal a kb. 200 nanométernél – nagyjából a legrövidebb látható fényhullám hullámhosszának felénél – közelebb lévő objektumokat nem lehetséges elkülöníteni. Ami ennél az ún. diffrakciós küszöbértéknél közelebb van, az törvényszerűen egybemosódik.

Szuperfelbontású mikroszkópia

A szuperfelbontású mikroszkópia oly módon cselezi ki az Abbe-küszöböt, hogy a fehérjékhez kötött fénykibocsátó (fluoreszcens) molekulák sajátos tulajdonságait kihasználva, több kép összesítésével pontosan lokalizálja a fény forrását. A szuperfelbontású technikák ma már akár a 20 nanométeres felbontást is elérhetik, azonban speciális és nagyon költséges berendezéseket igényelnek, és vastagabb mintákkal – mint az agyszövet vagy egyes daganatok tanulmányozásához használatos vastag metszetek – nem birkóznak meg. 

Sok más idegtudóshoz hasonlóan Boyden is arra áhítozott, hogy az idegsejtek kapcsolódási pontjainál, a szinapszisokban feltárja a fehérjék pontos elhelyezkedését. Ehhez a feladathoz idegsejtek nagyobb csoportjait, sőt, ideális esetben az agy egészét volna tanácsos tanulmányozni. „Azon morfondíroztunk, vajon hogyan tudnánk mindent egyszerre felnagyítani” – mesélte Boyden a National Institutes of Health bethesdai (Maryland, USA) központjában, ahol egy decemberben rendezett konferencián először tárták eredményeiket a nyilvánosság elé. A trükkhöz az akrilát nevű vegyületet hívták segítségül, amely két fontos tulajdonsággal rendelkezik: először is sűrű térhálót képes alkotni, amely a helyükön tartja a fehérjéket, másodszor is ez a térháló víz jelenlétében megduzzad. A pelenka vízmegkötő magjához hasonlóan az akriláttal átitatott szövet is mintegy 4,5-szeresére duzzad a nedvesség hatására.

Jobb a térbeli szövetek leképezésében

A duzzasztás előtt a szövetet olyan vegyi anyagokkal kezelik, amelyek hatására áttetszővé válik, így a következő lépésben a fehérjék jelöléséhez használt fluoreszcens molekulák fénye akadálytalanul áthaladhat rajta. Ezután a mintát átitatják akriláttal, végül vizet adnak hozzá, minek következtében az egész polimer térháló – benne a csapdába ejtett fehérjékkel – tágulásnak indul. Boyden szerint a duzzasztás után olyan molekulák fényjele is különállóként észlelhető, amelyek a kezelést megelőzően mindössze 60 nanométer távolságra voltak egymástól. S ami a legfontosabb: mindeme bűvészkedés ellenére a fehérjék egymással való kapcsolatai, egymáshoz viszonyított helyzetük lényegében érintetlen marad. Boydenék úgy számítják, hogy a fehérjék relatív helyzetében bekövetkező torzulás legfeljebb 1-4 százalék.

Edward Boyden a mikroszkópjai közöttForrás: Andy Barter/Chris Crisman

Feltalálói büszkén vallják, hogy az expanziós mikroszkópia remekül megállja a helyét a szuperfelbontású technikák mellett. Egy duzzasztott egéragyon végrehajtott kísérletben Boydenék megmérték két olyan fehérje távolságát, amelyek egy szinapszis átellenes oldalain foglalnak helyet, és eredményük szinte tökéletes egyezést mutatott a szuperfelbontású módszer adta értékkel. 

Ám ez nem minden: az expanziós mikroszkópia Nobel-díjas vetélytársánál sokkal jobban teljesít a komplex térbeli szövetek leképezésében. A bethesdai konferencián Boyden egy a szövettan világában masszívnak számító, fél milliméteres egéragy-hippokampusz készítményt mutatott, amely elegendően nagy volt ahhoz, hogy tanulmányozhatók legyenek benne a szomszédos idegsejtek kapcsolatai. Ugyanakkor a háromdimenziós felvételbe belenagyítva a szinapszisok finomszerkezete is részletkbe menően láthatóvá vált. A csoport ecetmuslicák és zebrahalak agyával is dolgozik, egy velük együttműködő másik kutatóhelyen pedig az emberi agyra próbálják alkalmazni a technikát.