מיקרוסקופיה בתנועה

חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון פיתחו מערכת למעקב אחר תהליכים דינמיים בתאים חיים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Nature Methods הובילו פרופ”ח יואב שכטמן והדוקטורנט אלון שגיא מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית. הטכנולוגיה החדשה – DBlink – מבוססת על שיטת SMLM ואלגוריתם בינה מלאכותית (רשתות נוירונים) ומאפשרת לשחזר דינמיקה מהירה של עצמים ביולוגיים ברזולוציית-על בתאים חיים.

פרופ”ח יואב שכטמן

אחד האתגרים החשובים ביותר במיקרוסקופיה הוא מעקב אחר תהליכים ביולוגיים דינמיים ברזולוציה (הפרדה) גבוהה בזמן ובמרחב. מיקרוסקופים אופטיים קונבנציונליים מוגבלים על ידי גבול הדיפרקציה, המגביל את הרזולוציה של המיקרוסקופ לכמחצית מאורכו של גל האור. פירוש הדבר הוא שבאור הנראה לעין, גבול הדיפרקציה הוא בסביבות 300-200 ננומטר. לכן לא נוכל לראות רבים מהעצמים המעניינים חוקרים בתחום הביולוגיה, למשל נגיפים מסוימים (100 ננומטר), חלבונים (10 ננומטר) ומולקולות DNA (2.5 ננומטרים).

אלון שגיא

את גבול הדיפרקציה ניסח לראשונה הפיזיקאי הגרמני ארנסט קרל אַבֶּה בשנת 1873. קביעתו של אבה, לפיה הרזולוציה של מיקרוסקופ אופטי מוגבלת לכמחצית מאורך הגל, העסיקה חוקרים ומהנדסים רבים, ובשנים האחרונות טכנולוגיות חדשות הצליחו “לעקוף” את אותה מגבלה ולספק רזולוציית-על – הפרדה של עשרות ננומטר, ובמקרים מסוימים אף ננומטרים בודדים.

אחת מפריצות הדרך בהקשר זה היא פיתוח שיטה לאיתור מולקולות בודדות (SMLM) על ידי אריק בטזיג, שזכה על כך בפרס נובל בכימיה לשנת 2014 יחד עם וויליאם מורנר וסטפן הל. שיטה זו מבוססת על חיבור של מולקולות פלורוסנטיות (זוהרות) למבנה הביולוגי. היא מאפשרת לאתר באופן מדויק את מיקום המולקולות, המעיד על המבנה הביולוגי המצולם. השיטה חוללה מהפכה בדימות הביולוגי ושיפרה את הרזולוציה המרחבית בסדר גודל יחסית לשיטות קונבנציונליות.

עם זאת, השיטה דורשת זמן צילום ארוך כדי לשפר את הרזולוציה המרחבית ולא מאפשרת מעקב אחרי עצמים דינמיים. מאחר שמרבית התהליכים הביולוגיים מתרחשים בסביבה דינמית בתאים חיים, חוקרים חיפשו פתרון שיאפשר זאת.

אחד הפתרונות לבעיית הרזולוציה הוא שימוש בגלים קצרים, שהרי הרזולוציה מוגבלת על ידי אורך הגל ולכן גלים קצרים יאפשרו רזולוציה גבוהה יותר. אפשרות נוספת היא ביצוע שורה של סריקות וניתוחן לאחר מכן. אולם לשתי האפשרויות האלה חסרונות משמעותיים בהקשר הביולוגי: גלים קצרים הם גלים עתירי אנרגיה הפוגעים בתא החי במהלך הצילום, וביצוע סדרה ארוכה של סריקות מאריך את משך הצילום ואינו מתאים לדינמיקה של תאים חיים המצויים בתנועה מתמדת.

בשני הריבועים הגדולים משמאל נראים מבנים ביולוגיים שונים שנסרקו במיקרוסקופ. בריבועים מימין מוצגות תוצאות הסריקה כפי שהתקבלו בשיטות שונות, וניכר שהרזולוציה הגבוהה ביותר הושגה בטכנולוגיית DBlink – הריבוע הימני ביותר בכל עמודה.

כאן נכנסת לתמונה DBlink – הטכנולוגיה החדשה שמציגים שגיא ופרופ”ח שכטמן במאמרם. הדגמתה של הטכנולוגיה החדשה נערכה על מספר אברונים בתאים חיים, לדוגמה מיטוכונדריה – יצרן האנרגיה של התא החי. באמצעות הטכנולוגיה החדשה שוחזרו מבנה המיטוכונדריה והדינמיקה הטבעית שלה ברזולוציית-על. החוקרים הדגימו רזולוציה מרחבית של 30 ננומטר ורזולוציית זמן של 15 מאיות השנייה. אחד היתרונות המובהקים של השיטה הוא היכולת לשקלל תנועה של עצמים ביולוגיים ולייצר תמונה מדויקת וברורה, אף שהעצם הנבדק זז במהלך הצילום.

במחקר תמכו הקרן הגרמנית למחקר, האיחוד האירופי (דרך תוכנית Horizon 2020) וקרן צוקרמן.

למאמר בכתב העתNature Methods  לחצו כאן

לסרטון המציג את הטכנולוגיה החדשה:

בסרטון: משמאל – סרטון הווידאו שצולם במיקרוסקופ. מימין – הסרטון שתוקן על ידי DBlink ומציג את תנועת המיטוכונדריה