Praca nad rozwojem mikroskopii fluorescencyjnej uhonorowana Nagrodą Nobla

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali trzej naukowcy za pracę nad rozwojem mikroskopii fluorescencyjnej. Nagrodą zostali nagrodzeni: Eric Betzig, fizyk w Kampusie Badawczym Janelia Farm w Ashburn w stanie Wirginia, będącego częścią Instytutu Medycznego Howarda Hughes’a, Stefan Hell, fizyk w Instytucie Chemii Biofizycznej Maxa Plancka w Göttingen w Niemczech oraz W.E. Moerner, fizykochemik na Uniwersytecie Stanforda.

Praca nad rozwojem mikroskopii fluorescencyjnej uhonorowana Nagrodą Nobla_3Praca nad rozwojem mikroskopii fluorescencyjnej uhonorowana Nagrodą Nobla_1 School of Engineering and Applied Science Alumni Achievement Awards, April 18, 2013. Photo by Kevin Lowder

Rys.1 Od lewej: Eric Betzig, Stefan W. Hell, William E. Moerner

Zastosowanie techniki mikroskopowej, rozwiniętej przez zwycięzców nagrody, pozwala obecnie wniknąć w głąb komórki bakteryjnej, obejrzeć zmienne kształty neuronów w mózgu podczas uczenia się czy dostrzec zagregowane białka, towarzyszące takim chorobom jak choroba Alzheimera, Huntingtona i Parkinsona.

Co oznacza to odkrycie dla świata nauki? Aby dostrzec jego znaczenie warto posłużyć się obrazowym przykładem: o ile tradycyjna mikroskopia optyczna pozwala na obejrzenie mrowiska, mikroskopia fluorescencyjna umożliwia dostrzeżenie mrówek, a nawet, jak twierdzi Sven Lidin z Uniwersytetu w Lund w Szwecji, ich odnóży.

Od ponad wieku badacze stosowali mikroskopy optyczne w celu obserwacji niewielkich elementów organizmów żywych, takich jak erytrocyty czy całych organizmów o niewielkich rozmiarach- embrionów lub jednokomórkowców. Jednak w 1873 roku, fizyk Ernst Abbe, przedstawił, opartą obliczeniami, granicę rozdzielczości tradycyjnego mikroskopu optycznego. Jej wartość mówi o najmniejszym wymiarze, jaki posiada dostrzegalny za pomocą tego urządzenia obiekt. Według obliczeń Abbego wymiar ten wynosi 200nm (dla porównania szerokość włosa jest 500- krotnie większa).

Źródłem dokonań Hell’ego, Betziga i Moerner’a była chęć wnikliwszego spojrzenia w obszar, który przy granicy rozdzielczości tradycyjnego mikroskopu optycznego, staje się niewyraźną plamą.

W 2000 roku Hell wraz z kolegami wystrzelił kombinację kolorowych promieni laserowych w kierunku cząstek o właściwościach fluorescencyjnych. Promień pierwszego lasera rozświetlił dużą grupę atomów, podczas gdy drugi z nich, o wiązce w kształcie donata, wywołał emisję promieniowania z każdej z napotkanych cząstek. Oddziaływanie to pozostawiło ślad w postaci małego okręgu o średnicy mniejszej niż 200nm, oświetlonego wewnątrz, co umożliwiło obserwację. Rozwinięta przez Hell’ego technika, jest to tzw. technika STED (stimulated emission depletion microscopy) i pozwala na uzyskanie obrazu w wysokiej rozdzielczości.

Wprawdzie inna mikroskopia, mikroskopia elektronowa, daje możliwość obserwacji materii na poziomie atomowym, jednak w przeciwieństwie do mikroskopii fluorescencyjnej jest to technika destrukcyjna dla komórek żywych organizmów. Przed naukowcami zostały więc otwarte nowe możliwości- obserwacji w czasie rzeczywistym życia pojedynczych komórek i bakterii.

W celu obserwacji, co dzieję się we wnętrzu komórek Moerner i Betzig, pracując niezależnie, zastosowali technikę zwaną single-atom microscopy, uzyskując, tak jak Hell, obraz o wysokiej rozdzielczości. W technice tej wykorzystywana jest wiązka laserowa, która jednocześnie stymuluje cząstki o właściwościach fluorescencyjnych do emisji promieniowania oraz do nieemitowania promieniowania innego niż pożądane promieniowanie fluorescencyjne w danym nanometrze komórki. Powtarzanie pomiarów z użyciem tej techniki, nanometr po nanometrze, umożliwia uzyskanie obrazu o wysokiej rozdzielczości.

Według Betziga, zastosowanie tej metody, pewnego dnia może pomóc znaleźć odpowiedź na pytanie, która pozwoli nam zrozumieć genezę powstania nas samych. A mianowicie z wielkim prawdopodobieństwem umożliwi nam poznanie w jaki sposób nieożywione cząstki krążące w przestrzeni łączą się i tworzą żywe komórki, dzięki czemu następnie mogą wyewoluować bardziej złożone organizmy.

W nagrodę za osiągnięcia naukowcy otrzymali ok. 1,1 miliona $, którymi mają zamiar podzielić się po równo.

  1. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino,W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, H. F. Hess (2006) Imaging intracellularfluorescent proteins at nanometer resolution, Science, 313, 1642-1645
  2. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2014, SUPER-RESOLVED FLUORESCENCE MICROSCOPY
  3. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, S. W. Hell (2000) Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission, Proc. Natl.Acad. Sci. USA, 97, 8206-8210
  4. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, W. E. Moerner (1997) On/off blinking and switching behaviour of single molecules of green fluorescent protein, Nature, 388, 355-358
  5. https://www.sciencenews.org/article/microscopy-providing-%E2%80%98window-cell%E2%80%99-wins-chemistry-nobel
  6. http://www.stanforddaily.com/2014/10/08/professor-william-moerner-wins-chemistry-nobel-for-microscope-work/
  7. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/press.html

Opracowała: Emilia Strzałka

Korekta: Maciej Bielak-Wolanin

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*