فناوری پیشرفته‌ای که اعماق سلول را نشان می‌دهد

سلول‌های بدن ما در حال حرکت هستند. آن‌ها از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر بدن می‌روند تا زخم‌ها را التیام بخشند و با عوامل بیماری زا مبارزه کنند.

آنها این کار را اصطلاحا با "پاهای کوچک" که در بخش جلویی سلول وجود دارد انجام می‌دهند که به آنها پای لایه(lamellipodia) نیز گفته می شود.
این بخش از سلول به جلو کشیده شده و به سطوح متصل می‌شود در حالی که سایر قسمت ها در امتداد آن حرکت می‌کنند. درون این پاها شبکه متراکمی از رشته‌های پروتئینی در هم تنیده وجود دارد که رشته‌های اکتین نامیده می شوند و اسکلت سلولی سلول را تشکیل می دهند. تاکنون مشخص نبود که چگونه کمپلکس Arp۲ / ۳(مجموعه‌ای از هفت پروتئین مرکزی برای ایجاد تحرک سلول)، رشته‌های جدید اکتین را از آنهایی که از قبل وجود داشته‌اند ساخته و شبکه‌های متراکم و منشعبی ایجاد می‌کند که باعث ایجاد برآمدگی مورد نیاز سلول برای حرکت می‌شود.

فلورین فابلر(Florian Fäßler)، فوق دکترا در گروه تحقیقاتی پروفسور فلوریان شوور( Florian Schur) در موسسه IST اتریش، توضیح می‌دهد:
تاکنون دانشمندان باید تصمیم می‌گرفتند که قصد دارند ساختار Arp۲ / ۳ را در چه زمانی بررسی کنند. یک گزینه آن بود که آن را به طور مجزا بررسی کنند. زمانی که مجموعه‌ی پروتئینی در ترکیبی غیرفعال قرار دارد و بنابراین درک نحوه‌ی تشکیل شبکه پروتئینی امکان پذیر نیست. برای آنکه Arp۲ / ۳ به طور کامل فعال شود باید آن را به رشته‌های اکتین متصل کنیم. این امر مستلزم استفاده از روشی به نام توموگرافی(برش‌نگاری) الکترونی است که باعث کاهش وضوح تصویر می‌شود. داده‌های به دست آمده از برش‌نگاری قبلی که در آن Arp۲ / ۳ در یک لوله آزمایش با اکتین‌ها ترکیب شده بود نادرست بودند و در نتیجه امکان تشخیص قطعی مکان قرارگیری عناصر به طور جداگانه وجود نداشت.

زیست شناس مولکولی، فلوریان شوور( Florian Schur)می‌گوید: برای دو سال است که وی در تلاش برای یافتن راهی است که این مجموعه پروتئین را در محیط طبیعی خودش به تصویر بکشد تا بتوان ساختارهای آن را به صورت جداگانه و دقیق بررسی کرد. حالا او موفق شده است و توانسته از پای لایه‌های (lamellipodium) سلول موش در ساختار فعال متصل به اکتین تصویر برداری کند.

وی گفت: ما با خود گفتیم که در حال رفتن به درون سلول هستیم. محیطی بسیار پیچیده‌تر زیرا در این محیط چیزی بیشتر از رشته‌های پروتئین و اکتین وجود دارد اما این تنها راهی بود که می‌توانستیم این شبکه سلولی را به گونه ای حفظ کنیم که بتوان ساختار آن را مشاهده کرد.

این امر با دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتیگراد امکان پذیر شد. در عرض چند میلی ثانیه، محققان نمونه‌ها را منجمد کردند. بسیار سریع‌تر از آنکه بلورهای یخ که باعث از بین رفتن ساختارهای خوب سلول می‌شوند توانایی تشیکل شدن داشته باشند. سپس آنها برای تصویربرداری از سلول‌ها از زوایای مختلف با استفاده از توموگرافی الکترونیکی کرایوcryo-electron) (tomography یکی از قدرتمندترین میکروسکوپ‌های الکترونی کرایو که تنها یک نمونه از آن در اتریش موجود است استفاده کردند. با انجام این کار، این گروه داده‌های کافی برای بازسازی تصویر سه بعدی بیش از ۱۰۰۰۰ مجموعه Arp۲ / ۳ در حالت فعال جمع آوری کردند.

آنهادر کنار تصویر برداری پیشرفته، یک مدل سه بعدی از Arp۲ / ۳ را با وضوح کمتر از یک نانومتر ایجاد کردند. برای مقایسه اندازه این مدل می توان به ضخامت موی انسان که حدود ۵۰۰۰۰ نانومتر است اشاره کرد.

فلوریان فابلر(Florian Fäßler) می‌گوید: "ما اکنون قادر به توصیف نسبتاً دقیق ساختار پروتئین و زیر واحدهای آن و نحوه تشکیل شبکه رشته اکتین در داخل پای لایه(lamellipodium) سلول‌های قبلی هستیم.

"شوور"(Schur) افزود: پنج سال پیش، احتمالاً هیچ کس فکر نمی‌کرد که این کار انجام شود.

با توجه به این روش پیشرفته، گروه تحقیقاتی می‌تواند مدل قبلی را که دارای اتصالات بسیار بیشتری بین رشته‌های درهم تنیده Arp۲ / ۳ و اکتین بود رد کند. با این حال، دانشمندان جنبه های دیگری از چگونگی تنظیم این مجموعه پروتئین و تشکیل رشته‌های جدید اکتین را تأیید کردند.

با این فناوری، دانشمندان دیگر اکنون می‌توانند نحوه کار و فعالیت‌های مهم این مجموعه پروتئینی را در نقش‌های متعدد آن فراتر از تحرک سلول و ایجاد بیماری درک کنند.

شور(Schur) با اشتیاق می‌گوید: ما تا آنجا که می‌شد با روش‌های موجود و وضوح تصاویری که داشتیم با این نمونه‌ی پیچیده کار کردیم.
با تصاویر واضح فعلی، ما بینش‌های بیولوژیکی جدیدی به دست آورده‌ایم و همچنین پیشرفتی در علم روش‌شناسی که نشان می‌دهد چنین امکانی وجود دارد داشته‌ایم.

فلورین فابلر اکنون می‌خواهد برای تجسم سایر پروتئین‌ها، این روش را حتی بیشتر بهبود ببخشد و بررسی کند که این روش تا چه اندازه به ما اجازه می‌دهد درون سلول را ببینیم.

شوور می‌گوید: "ما به تازگی توانایی میکروسکوپ توموگرافی الکترونی کرایو را درک کرده‌ایم.