כל צמח, חיה ואדם הם מיקרוקוסמוס עשיר של תאים זעירים, מיוחדים. תאים אלו הם עולמות בפני עצמם, לכל אחד חלקים ותהליכים ייחודיים משלו החומקים מעין בלתי מזוינת. היכולת לראות את פעולתם הפנימית של אבני הבניין המיקרוסקופיות הללו ברזולוציה ננומטרית מבלי לפגוע באברונים העדינים שלהן הייתה אתגר, אך מדענים מדיסציפלינות שונות ברחבי המעבדה הלאומית ברוקהייבן (DOE) של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) מצאו דרך יעילה לדמיין תא בודד באמצעות טכניקות מרובות. התהליך המרתק ללכוד את התמונות הללו פורסם ב ביולוגיה של תקשורת.
ליכולת להבין את המבנים הפנימיים של תאים, את האופן שבו כימיקלים וחלבונים מתקשרים בתוכם, וכיצד האינטראקציות הללו מאותתות לתהליכים ביולוגיים מסוימים ברזולוציה ננומטרית יכולה להיות בעלת השלכות משמעותיות ברפואה, בחקלאות ובתחומים חשובים רבים אחרים. עבודה זו גם סוללת את הדרך לטכניקות הדמיה ביולוגיות טובות יותר ולמכשירים חדשים לאופטימיזציה של הדמיה ביולוגית.
חקר תאים אנושיים והאברונים שבתוכם הוא מרגש, אבל יש כל כך הרבה הזדמנויות להפיק תועלת מהגישה הרב-מודאלית שלנו המשלבת טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן קשה והדמיית פלואורסצנציה בקרני רנטגן. אנו יכולים לחקור פטריות פתוגניות או חיידקים מועילים. אנחנו מסוגלים לראות לא רק את המבנה של המיקרואורגניזמים האלה, אלא גם את התהליכים הכימיים שקורים כאשר תאים מקיימים אינטראקציה בדרכים שונות".
קון ליו, ביולוג מבני במעבדת ברוקהייבן
שולפים את אחד מאבני הבניין של החיים
עוד לפני שהחוקרים התחילו להדמיה, אחד האתגרים הגדולים ביותר שלהם היה הכנת המדגם עצמו. הצוות החליט להשתמש בתא מקו 293 של כליה עוברית אנושית (HEK). תאים אלו ידועים כקל לגידול אך קשה לבצע מדידות מרובות של קרני רנטגן. למרות שהם קטנים מאוד, תאים רגישים למדי לנזק שנגרם מקרני רנטגן.
המדענים עברו תהליך זהיר, רב-שלבי, כדי להפוך את המדגם לחזק יותר. הם השתמשו בפאראפורמלדהיד כדי לשמר כימית את מבנה התא, לאחר מכן דאג לרובוט להקפיא במהירות את הדגימות על ידי צלילה באיתן נוזלי, העביר אותן לחנקן נוזלי, ולבסוף ייבש אותן בהקפאה כדי להסיר מים אך לשמור על המבנה התא. לאחר השלמת תהליך זה, החוקרים הניחו את התאים המיובשים בהקפאה מתחת למיקרוסקופ כדי לאתר ולתייג אותם להדמיה ממוקדת.
בקוטר של כ-12-15 מיקרון בלבד (עובי שיער האדם הממוצע הוא 150 מיקרון), הגדרת הדגימה למדידות לא הייתה קלה, במיוחד עבור מדידות בקווי קרן שונים. הצוות היה צריך להבטיח שמבנה התא יוכל לשרוד מדידות מרובות עם קרני רנטגן באנרגיה גבוהה ללא נזק משמעותי ושהתא יוכל להישמר בצורה מהימנה במקום אחד לצורך מדידות מרובות. כדי להתגבר על המכשולים הללו, המדענים יצרו מחזיקי דגימות סטנדרטיים לשימוש על מספר חלקים של ציוד והטמיעו מיקרוסקופים אופטיים כדי למצוא במהירות את התא ולדמותו ולמזער חשיפה ממושכת לקרני רנטגן שעלולה להזיק לו.
מדידות מולטי-מודאליות
הצוות השתמש בשתי טכניקות הדמיה שנמצאו ב- National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) -; מתקן משתמש של משרד המדע של DOE ב- Brookhaven -; טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן (XCT) ומיקרוסקופיה קרני רנטגן (XRF).
החוקרים אספו נתוני XCT, המשתמשים בקרני רנטגן כדי לספר למדענים על המבנה הפיזי של התא, על קו הקרן של Full Field X-ray Imaging (FXI). טומוגרפיה משתמשת בקרני רנטגן כדי להראות חתך רוחב של דגימה מוצקה. דוגמה מוכרת לכך היא סריקת ה-CT, בה משתמשים רופאים כדי לצלם חתכים של כל חלק בגוף.
החוקרים אספו נתוני מיקרוסקופיה XRF, המספקים רמזים נוספים לגבי התפלגות היסודות הכימיים בתוך התא, על קו קרן ה-Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX). בטכניקה זו, החוקרים מכוונים קרני רנטגן באנרגיה גבוהה לדגימה, מסעירים את החומר וגורמים לו לפלוט קרינת רנטגן. לפליטת קרני הרנטגן יש חתימה ייחודית משלה, המאפשרת למדענים לדעת בדיוק מאילו אלמנטים מורכבת המדגם וכיצד הם מופצים כדי למלא את הפונקציות הביולוגיות שלהם.
"הייתה לנו מוטיבציה לשלב הדמיית XCT ו-XRF בהתבסס על המידע הייחודי והמשלים שכל אחד מהם מספק", אמר Xianghui Xiao, מדען קו קרן מוביל של FXI. "הפלואורסצנטי נותנת לנו מידע שימושי רב על יסודות הקורט בתוך תאים וכיצד הם מופצים. זהו מידע קריטי מאוד לביולוגים. קבלת מפת פלואורסצנטי ברזולוציה גבוהה על תאים רבים עשויה לקחת זמן רב, עם זאת. אפילו רק עבור תמונה דו-ממדית, זה עשוי לקחת לא מעט שעות."
זה המקום שבו קבלת תמונה תלת מימדית של התא באמצעות XCT מועילה. מידע זה יכול לעזור להנחות את מדידות הקרינה למיקומים ספציפיים של עניין. זה חוסך זמן למדענים, מגדיל את התפוקה, וזה גם מבטיח שהדגימה לא תצטרך להיחשף לקרני רנטגן כל כך הרבה זמן, מה שמפחית את הנזק הפוטנציאלי לתא השביר.
"גישה קורלטיבית זו מספקת מידע שימושי ומשלים שיכול לקדם מספר יישומים מעשיים", העיר יאנג יאנג, מדען קו קרן ב-SRX. "עבור משהו כמו מתן תרופה, ניתן לזהות תת-קבוצות ספציפיות של אברונים, ואז ניתן לאתר אלמנטים ספציפיים כשהם מופצים מחדש במהלך הטיפול, מה שנותן לנו תמונה ברורה יותר של אופן הפעולה של התרופות הללו ברמה התאית."
בעוד שההתקדמות הללו בתחום ההדמיה סיפקו מבט טוב יותר על העולם הסלולרי, יש עדיין אתגרים שצריך לעמוד בהם ודרכים לשפר את ההדמיה עוד יותר. במסגרת פרויקט NSLS-II Experimental Tools III -; תוכנית לבניית קווי קרן חדשים כדי לספק לקהילת המשתמשים יכולות חדשות -; יאנג הוא מוביל מדעי של הצוות שעובד על קו הקרן הקרוב של טומוגרפיה סלולרית כמותית (QCT), שיוקדש לדימות ביו. QCT הוא קו קרן רך של טומוגרפיה רנטגן רכה בשדה מלא להדמיית תאים קפואים ברזולוציה ננומטרית ללא צורך בקיבוע כימי. קו קרן טומוגרפיית רנטגן קריו-רך זה ישלים את השיטות הנוכחיות, ויספק עוד יותר פרטים לגבי המבנה והתפקודים התאיים.
ממצאים עתידיים
למרות שהיכולת להציץ לתוך התאים המרכיבים את המערכות בגוף האדם היא מרתקת, היכולת להבין את הפתוגנים שתוקפים ומשבשים את המערכות הללו יכולה לתת למדענים יתרון במלחמה במחלות זיהומיות.
"טכנולוגיה זו מאפשרת לנו לחקור את האינטראקציה בין פתוגן למארח שלו", הסביר ליו. "אנו יכולים להסתכל על הפתוגן ותא בריא לפני ההדבקה ואז לצלם אותם גם במהלך ההדבקה וגם אחריה. נבחין בשינויים מבניים גם בפתוגן וגם בפתוגן ונקבל הבנה טובה יותר של התהליך. אנחנו יכולים גם ללמוד את אינטראקציה בין חיידקים מועילים במיקרוביום האנושי או פטריות שיש להם קשר סימביוטי עם צמחים."
ליו עובד כעת עם מדענים ממעבדות ומאוניברסיטאות לאומיות אחרות עבור תוכנית המחקר הביולוגי והסביבתי של DOE כדי לחקור את האינטראקציות המולקולריות בין סורגום לבין Colletotrichum sublineola, הפטרייה הפתוגנית הגורמת לאנתרקנוזה, שעלולה לפגוע בעלים של צמחים. Sorghum הוא גידול ביו-אנרגיה עיקרי של DOE והוא גידול הדגנים החמישי בחשיבותו בעולם, כך שלאנושות יהיה הרבה מה להרוויח על ידי הבנת הטקטיקה של פטרייה הרסנית זו וכיצד פועלות ההגנות של סורגום ברמה התאית והמולקולרית.
היכולת לראות בקנה מידה זה יכול לתת למדענים תובנה לגבי המלחמות המתנהלות על ידי פתוגנים על יבולים, הסביבה ואפילו גופי אדם. מידע זה יכול לעזור לפתח את הכלים הנכונים להילחם בפולשים הללו או לתקן מערכות שאינן פועלות בצורה מיטבית ברמה הבסיסית. הצעד הראשון הוא היכולת לראות עולם שעיניים אנושיות אינן מסוגלות לראות, וההתקדמות במדע הסינכרוטרונים הוכחה ככלי רב עוצמה לחשיפתו.
עבודה זו נתמכה על ידי מימון מחקר ופיתוח מכוון המעבדה של ברוקהייבן ומשרד המדע של DOE.
