پژوهشگران مؤسسه‌ زیست‌شناسی دریایی (Marine Biological Laboratory – MBL) موفق به توسعه‌ی میکروسکوپی ترکیبی شده‌اند که امکان تصویربرداری همزمان از موقعیت و جهت‌گیری سه‌بعدی مجموعه‌ای از مولکول‌ها، مانند پروتئین‌های نشان‌دار درون سلول‌ها، را فراهم می‌کند.

این میکروسکوپ جدید با نام Pol-diSPIM، ترکیبی از فناوری فلورسانس قطبی‌شده و میکروسکوپ دو دید صفحه روشن (diSPIM) است. فناوری فلورسانس قطبی‌شده ابزاری ارزشمند برای اندازه‌گیری جهت‌گیری مولکول‌ها محسوب می‌شود، در حالی که میکروسکوپ دو دید صفحه روشن توانایی بالایی در تصویربرداری از عمق نمونه دارد.

پروتئین‌ها در پاسخ به محیط اطراف خود، جهت‌گیری سه‌بعدی‌شان را تغییر می‌دهند. این تغییرات به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با سایر مولکول‌ها تعامل کرده و وظایف زیستی خود را انجام دهند. با استفاده از این ابزار جدید، امکان ثبت تغییرات جهت‌گیری سه‌بعدی پروتئین‌ها فراهم شده است.

تالون چند، نویسنده‌ اول این مقاله و پژوهشگر مؤسسه‌ی CZ Biohub San Francisco، می‌گوید: «تغییرات موقعیتی یک مولکول می‌تواند سرنخ‌های ارزشمندی ارائه دهد، اما گاهی اطلاعات کلیدی در تغییر جهت‌گیری آن نهفته است. این فناوری جدید می‌تواند زوایای پنهانی از زیست‌شناسی را آشکار کند که پیش‌تر مشاهده‌ی آن‌ها دشوار بود.»

یکی از کاربردهای کلیدی این فناوری، مطالعه‌ی دوک‌های تقسیم سلولی است که تاکنون یکی از چالش‌های بزرگ در حوزه‌ی میکروسکوپی بوده است. رودولف اولدنبرگ، یکی از پژوهشگران ارشد MBL و از نویسندگان این مقاله، توضیح می‌دهد: «در روش‌های سنتی میکروسکوپی، از جمله نور قطبی‌شده، مطالعه‌ی دوک تقسیم سلولی در صورتی که در صفحه‌ای عمود بر جهت دید باشد، نسبتاً ساده است. اما اگر این صفحه کج شود، اطلاعات حاصل دچار ابهام می‌شود. این میکروسکوپ جدید به ما اجازه می‌دهد تا این خطای دید را اصلاح کرده و همچنان موقعیت و جهت‌گیری سه‌بعدی مولکول‌ها را به‌دقت ثبت کنیم.»

محققان امیدوارند این سیستم را بهبود بخشند تا بتوانند تغییرات موقعیتی و جهت‌گیری ساختارهای زیستی را در نمونه‌های زنده در طول زمان بررسی کنند. همچنین، توسعه‌ی کاوشگرهای فلورسانسی جدید می‌تواند دامنه‌ی کاربرد این فناوری را گسترش دهد و مطالعه‌ی طیف وسیع‌تری از ساختارهای زیستی را امکان‌پذیر سازد.

ایده‌ اولیه‌ این میکروسکوپ در سال ۲۰۱۶، طی جلسات هم‌اندیشی گروهی از متخصصان میکروسکوپی در MBL شکل گرفت. هری شروف  پژوهشگر مؤسسه‌ی پزشکی هاروارد هاوارد هیوز (HHMI Janelia) و یکی از اعضای مؤسسه‌ی ملی سلامت (NIH)، در حال کار با میکروسکوپ سفارشی diSPIM بود که آن را در همکاری با ابیشک کومار توسعه داده بود.

diSPIM دارای دو مسیر تصویربرداری است که در زاویه‌ی قائمه به یکدیگر قرار دارند. این ویژگی به پژوهشگران امکان می‌دهد تا نمونه را از دو دیدگاه مختلف روشن کرده و تصویربرداری کنند. این روش دو دیدگاهی نه‌تنها ضعف وضوح عمقی یک دیدگاه را جبران می‌کند، بلکه کنترل بیشتری بر قطبش نور ورودی ارائه می‌دهد.

شروف و اولدنبرگ در گفت‌وگوهای علمی متوجه شدند که این میکروسکوپ دو دید می‌تواند محدودیت‌های میکروسکوپ‌های نور قطبی‌شده را نیز برطرف کند. شروف می‌گوید: «اگر دو دیدگاه متعامد داشته باشیم، می‌توانیم فلورسانس قطبی‌شده را در این جهت‌گیری‌ها به‌شکل مؤثرتری بررسی کنیم. پس چرا از diSPIM برای ثبت داده‌های فلورسانس قطبی‌شده استفاده نکنیم؟»

این پروژه به پایان‌نامه‌ دکترای تالون چندلر تبدیل شد و او یک سال را در آزمایشگاه اولدنبرگ در MBL صرف ترکیب این دو سیستم کرد. این تیم تحقیقاتی، diSPIM را به کریستال‌های مایع مجهز کرد که امکان تغییر جهت‌گیری قطبش نور ورودی را فراهم می‌ساخت.

مین گوئو، که در آن زمان در آزمایشگاه قبلی شروف در NIH فعالیت داشت، در کنار چندلر روی پردازش داده‌ها و بازسازی سه‌بعدی اطلاعات کار کرد. چندلر توضیح می‌دهد: «زمان زیادی صرف شد تا ببینیم بازسازی این داده‌ها چه شکلی خواهد بود و چه مقدار اطلاعات را می‌توان از آن‌ها بازیابی کرد.»

پیشرفت این پروژه حاصل همکاری مستمر بین MBL، دانشگاه شیکاگو و NIH بود. چندلر در این‌باره می‌گوید: «در تمام مراحل توسعه‌ی این فناوری، بحث‌ها و تبادل نظرهای بسیاری میان MBL، دانشگاه شیکاگو و NIH شکل گرفت. این همکاری‌های بین‌رشته‌ای عامل کلیدی موفقیت این پروژه بود.»