تقنية مبتكرة تعزز جودة الصورة لهياكل البروتين

لمدة 15 عامًا، ناقش علماء الأحياء البنيوية جدوى التكنولوجيا التي يمكنها تحسين دقة هياكل البروتين التي ينتجها المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM). يجب أن تعمل هذه التقنية، التي تسمى لوحة طور الليزر (LPP)، على توسيع تقنية cryo-EM لتشمل نطاقًا أوسع من البروتينات مما كان ممكنًا في السابق، وتبسيط تجارب التصوير المقطعي التي تعيد بناء سلوك البروتين في البيئة الخلوية.

هذا الشهر، تم تبرئة المتفائلين، من خلال منشور بتاريخ 11 يونيو/حزيران علوم¹ ونشرت نسخة أولية في bioRxiv في 5 يونيو² عرض تصميمين LPP يعززان بشكل فعال جودة صورة البروتينات الصغيرة في تجارب cryo-EM.

يقول ديفيد أجارد، المدير العلمي المؤسس للتصوير في منظمة التكنولوجيا الحيوية Biohub في ريدوود سيتي، كاليفورنيا، ومؤلف النسخة الأولية: “إنه أول شيء جديد مثير يحدث في أجهزة EM cryo-EM، بخلاف الأشياء التي كانت موجودة منذ عقود حتى الآن”.

“هذا لن ينجح أبداً”

البرد-EM يتضمن تجميد البروتينات في طبقة رقيقة من الجليد الزجاجي وتصويرها بالمجهر الإلكتروني. المواد البيولوجية بشكل عام لا تمتص الإلكترونات، مما يجعل من الصعب تصويرها مباشرة. لكنها تبعثرها، وهذا التشتت يغير خاصية موجة الإلكترون المعروفة باسم الطور. وقد طور الباحثون استراتيجيات للكشف عن “تحول الطور” الناتج عن طريق تعزيز “تباين الطور”، وبالتالي تمكين تصوير البروتين بشكل أكثر وضوحًا.

في عام 2010، تعاون عالم الفيزياء الحيوية روبرت جلايسر والفيزيائي هولجر مولر من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، لاستكشاف فكرة تركيز ليزر مكثف على شعاع الإلكترون المستخدم في التصوير الكهرومغناطيسي البارد لتغيير طور الإلكترونات “الخلفية” غير المتناثرة بشكل انتقائي.³. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن زيادة تباين الطور لهذه الإلكترونات مقارنة بتلك التي تناثرت بعد مواجهة البروتينات.

المجهر الإلكتروني المبرد يفوز بجائزة نوبل في الكيمياء

لقد نشروا نموذجًا أوليًا بدائيًا نسبيًا لإثبات المفهوم في عام 2019⁴. وقد لفت هذا العمل انتباه Biohub، الذي قام بتمويل التطوير اللاحق. يتذكر مولر حضوره اجتماعًا للمتخصصين في تقنية العلاج بالبرد، استضافته المنظمة خلال الأيام الأولى للمشروع، حيث واجه قدرًا كبيرًا من الحماس، ولكن أيضًا شكًا عميقًا. ويقول: “كان الشعور السائد هو أن هذا سيكون رائعًا للغاية، لكنه لن ينجح أبدًا”.

في الواقع، فرض تطوير مبدأ منع الخسارة العديد من التحديات الفنية. يقول مولر: “إن تركيز الليزر الذي يتعين علينا توليده هو ألمع تركيز ليزر مستمر في أي مكان”. “ولم تكن أشعة الليزر بالكثافة المطلوبة موجودة عندما بدأنا.” كحل، استخدم هو وزملاؤه مرايا مُصنعة بدقة لعكس الليزر الوارد ذهابًا وإيابًا آلاف المرات، وبالتالي تضخيمه إلى الشدة اللازمة. يجب أن تكون هذه المرايا ناعمة بشكل لا يصدق – مع خشونة سطحية أقل من قطر ذرة الهيدروجين – ومصنوعة من زجاج السيراميك الذي يمكنه مقاومة الضرر الناتج عن شعاع الليزر المكثف، مع ميزات تصميمية إضافية لضمان الاستقرار على المدى الطويل.