350 yıldan daha uzun bir süre önce, İngiliz Doğa Filozofu Robert Hooke; bir mikroskoptan ince bir mantar diliminini inceledi ve daha sonra bunun “hücreler” adını verdiği küçük, kutu benzeri bölmelerden oluştuğunu keşfetti.
O andan itibaren, Hooke ve sayısız meraklı zihin; yaşamın bu temel yapı taşlarını daha iyi görebilmek için çabaladı. Günümüzde ise; hücresel dünyaya açılan pencere daha net hale geldi.
Science Dergisi‘nin yeni bir araştırmasında; Howard Hughes Tıp Enstitüsü (HHMI) Janelia Araştırma Kampüsü, Harvard Tıp Okulu ve işbirliği yapan kurumlardan araştırmacılar; daha önce görülmemiş detaylarda, 3 boyutlu görüntüler yakalayabilen bir mikroskop geliştirdiğini bildirdiler. Bu 3 boyutlu görüntülerde canlı organizmaların içindeki hücrelerin videoları yer alıyor.
Gökbilimcilerin uzak yıldızları incelemek için kullandıkları bir tekniği uyarlayan Nobel ödüllü araştırma ekibi ve Janelia Grup Lideri Eric Betzig, bir dizi çarpıcı film üreterek, yeni teknolojiyi sergiledi: Kan damarları boyunca dolaşan kanser hücreleri; spinal sinir hücreleriyle devrelere kablolanıyor. Böylece Zebra balığı iç kulağından geçen bağışıklık hücrelerine ve çok daha fazlasına ulaşılıyor.
Mikroskopun çözünürlüğü o kadar güçlü ki; moleküler yükü hücreye taşıyan veziküller olarak bilinen küçük kabarcıkların dinamikleri gibi alt hücresel detayları bile yakalayabilir.
HMS Hücre Biyoloji Profesörü ve Springer Aile Pediatri Kürsü Başkanı ve Boston Çocuk Hastanesinde Kıdemli Araştırmacı Tomas Kirchhausen: “Bu, daha önce hiç göremediğimiz şeyleri görebilmenin mucizesidir. Bu inanılmaz bir şey…”
Nötrofiller gelişmekte olan zebra balığı gözünde renkle işaretlenmiş şekerler (mavi) ortaya çıkarıyor. Bir kanser hücresi (yeşil); bir kan damarı (mor) duvarından geçmeye çalışır. Nötrofiller (ortada), gelişmekte olan zebrabalığı gözünde renk etiketli şekerler (mavi) ve kan hücrelerini (üst) kılcal değerde görüntülerle yakınlaştırılır.
Kirchhausen: “Mikroskopla her denemede, yeni bir hikaye gözlemledik ve test etmek için yeni fikirler ve hipotezler ürettik. Düşünebildiğim biyolojik bir sistemde veya organizmada neredeyse her türlü sorunu araştırmak için kullanılabilir.”
Bilim insanları yüzyıllardır hücrelere bakmak için mikroskoplar kullansalar da, şimdiye kadarki en net görüş; cam slaytlarda izole edilen hücrelerden geliyor. Canlı hücreleri; canlı organizmaların içinde gerçek zamanlı olarak görselleştirmek çok daha zordu.
İlgilenen hücreler; önemli detayları bulanıklaştıran ve engelleyen mikroskop objektifine gelen ve dönen ışığı karıştıran dokular ve diğer biyolojik yapılar tarafından çevrelenmiştir. Biyolojik yapılara nüfuz etmek ve hücrenin daha keskin bir görünümünü elde etmek için yeterince güçlü ışık gerekir; diğer yandan da dokulara zarar verebilir.
Betzig: “…hücreler evrim geçirdiği organizmada mutlu bir şekilde bir araya geliyor. Görmenin genellikle inanmak olduğu söylenir, ama hücre biyolojisine gelince, daha uygun bir soru olduğunu düşünüyorum. Gördüğümüze ne zaman inanabiliriz?…Star Trek gibi… Yeniden keşif çağı. Henüz hangi soruların sorulacağını bile bilmiyoruz, çünkü bu biyolojilerin bazılarını bu ayrıntı düzeyinde bile göremedik. ”
Rehber Yıldız
Bu zorlukları ele almak için Betzig ve meslektaşları; iki teknolojiyi birleştirdi: Betzig, 2010’un başlarında geliştirilen kafes ışık-levha mikroskobu ve uyarlanabilir optikler; astronomi biliminden ödünç alınan bir teknik.
Kafesli ışık levha mikroskobu; ultra-ince bir ışık tabakanın hızlı ve tekrarlanan taramalarını kullanır. Bu da geleneksel odaklanmış ışın demetleriyle ilişkili ağartmayı veya hasarı önler. Tüm bu işlevleri yerine getirirken; canlı hücrelerin yüksek çözünürlüklü 2 boyutlu görüntülerini de üretir. Ayrıca bu görüntülerin serilerini zaman içinde birleştirerek, bilim insanları 3 boyutlu filmler oluşturabilirler.
Işık tabakasını dokular ve diğer yapılardan geçerken çözebilmek için araştırma ekibi yıldızlara yöneldi.
Dünya atmosferindeki uzak nesneleri görmek için; astronomlar uyarlanabilir optikler, deforme olabilir aynalar ve ışık modülatörleri kullandılar.
Süreç, “kılavuz yıldız” olarak işlev gören; gökyüzünün istenen kısmının resmini hedef alan, güçlü bir lazer kullanır. Lazer; atmosferden geçerken, yolunu bozan optik sapmalar, uyarlayıcı tarafından ortaya çıkar ve düzeltilir.
Betzig ve meslektaşları bu prensibi mikroskobik dünyaya uyguladılar. İki-fotonlu bir lazer kullanarak, örgü ışık tabakasının ince bir aydınlatmasını koruyan ve bir organizmaya nüfuz ederek, hedeflerinin distorsiyonsuz* görüntülerini üreten uyarlamalı bir optik sistem oluşturdular.
Ekip, çeşitli biyolojik örnekler üzerinde yeni adaptif optik/ kafes ışık levhası mikroskobunu doğruladı. Böylece oluşturdukları verileri anlamlandırmak için, ekip; Boston Çocuk’taki pediatride çalışan HMS eğitmenler ve Kirchhausen laboratuvarında araştırmacılarla biraraya geldi.
Upadhyayula: “Ürettiğimiz veri türleri için, yorumlanabilir filmler oluşturmak ve biyolojik olarak anlamlı bilgiler elde etmek için kullanabileceğimiz hiçbir ticari yazılım yok. Bu yüzden gerekli araçları kurduk. Yakın gelecekte, tam etkileşimli 3 boyutlu filmleri içeren verileri anlamlı şekillerde elde ettiğimizi ve görselleştirdiğimizi farkettik.”
Odak İçi
Sonuçlar dikkate değerdi. Bir filmde, ateşli bir turuncu bağışıklık hücresi, zebra balığının kulağına çılgın bir şekilde girerken; yol boyunca mavi şeker parçacıklarını toplar. Bir diğerinde ise; göç eden bir kanser hücresi, bir damardan geçerken yapışkan uzantılara yol açar ve damar çeperi boyunca sıkıştırmaya çalışır.
Ekip, hücre bölünmesi sırasında hücrenin içinde kendilerini yeniden şekillendirirken; organellerin davranışının filmlerini de çekti. Hatta hücrelerin dış çevrelerinden materyalleri yakalamak için kullandıkları klatrin* aracılı endositoz* sürecini gerçek zamanlı ve yakın moleküler ayrıntılarla görselleştirdiler.
Kirchhausen: “Hücrelerin, vesiküler taşıyıcılara dayalı makineleri kullanarak nasıl ‘yediğini’ anlamaya çalışıyorum ve tüm hayatım boyunca bunu canlı bir organizmada görmeyi hayal ettim. Bunu sonunda bunu başardık.”
Betzig: “3D çok hücreli ortamın karmaşıklığı çok zor olabilir; ancak görüntüleme netliği araştırmacıların herhangi bir dokudaki dinamiklere odaklanmak için, dokudaki bireysel hücreleri birbirinden hesaplayarak ‘patlatmasına’ olanak veriyor.”
Betzig, bütün bu detayın adaptif optikler olmadan görülmesinin zor olduğunu söyledi. Görüşüne göre, uyarlamalı optikler; bugün mikroskop araştırmasının en önemli alanlarından biridir. 3 boyutlu canlı görüntülemede üstünlük sağlayan kafes ışık levha mikroskobu; sergilenmesi için mükemmel bir platformdur.
Bir sonraki adım, teknolojiyi uygun fiyatlı ve kullanıcı dostu hale getirmektir. Mevcut mikroskop; 10 metrelik bir masaya sahiptir. Kirchhausen ve Upadhyayula ile çalışan Betzig’in ekibi; bireysel laboratuvarların ulaşabileceği bir maliyetle küçük bir masaya sığması gereken yeni nesil bir versiyon üzerinde çalışıyor.
Tasarlanan bu ilk araç; dünyanın dört bir yanından gelen bilim insanlarının bunu kullanmak için başvurabileceği Janelia’nın Gelişmiş Görüntüleme Merkezine gidecek. Aynı zamanda inşa edilen ikinci bir araç da; Boston’daki HMS Quad’deki Kirchhausen Laboratuvarı’nda yer alacaktır.
