นักวิทยาศาสตร์ได้ทะลุผ่านอุปสรรคทางกล้องจุลทรรศน์ที่มีมาเป็นเวลาหนึ่งศตวรรษ เปิดโลกใหม่ของรายละเอียดระดับเซลล์ที่ไม่เคยมีมาก่อน เป็นเวลาเกือบ 100 ปี นักวิจัยถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง ไม่สามารถมองเห็นวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่า 200 นาโนเมตรแยกจากกันได้ ปัจจุบันเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงสามารถแยกแยะวัตถุได้ถึง 20 นาโนเมตร เผยให้เห็นโครงสร้างและกระบวนการของเซลล์ที่ไม่เคยมองเห็นมาก่อน
ชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ยอมรับเทคโนโลยีก้าวล้ำเหล่านี้ด้วยความกระตือรือร้นอย่างน่าทึ่ง นักวิจัยชั้นนำอย่าง Ibrahim Cissé ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้อำนวยการสถาบัน Max Planck ใช้การถ่ายภาพโมเลกุลเดี่ยวและความละเอียดสูงเพื่อศึกษาการจับกลุ่มของโปรตีนในเซลล์ที่มีชีวิต งานของเขาเป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าสาขานี้ได้ดึงดูดความสามารถระดับสูงและเงินทุนจำนวนมาก โดยผู้อำนวยการ Max Planck มีการเข้าถึงทรัพยากรการวิจัยที่แทบไม่มีขีดจำกัด
 |
|---|
| ภาพประกอบนี้เน้นให้เห็นความสามารถของกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงในการแสดงรายละเอียดที่ละเอียดของโครงสร้างเซลล์ |
เทคนิคการถ่ายภาพปฏิวัติเปลี่ยนแปลงชีววิทยาเซลล์
แนวทางหลักสามแนวทางได้ปฏิวัติวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตเซลล์ที่มีชีวิต กล้องจุลทรรศน์การระบุตำแหน่งโมเลกุลเดี่ยวใช้แท็กเรืองแสงที่กะพริบเปิดปิด ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนของแต่ละโมเลกุลได้ การยับยั้งการปล่อยแสงกระตุ้นใช้วงแหวนเลเซอร์รูปโดนัทเพื่อเพิ่มความคมชัดโดยการยกเลิกแสงที่ไม่ต้องการ กล้องจุลทรรศน์การส่องแสงแบบมีโครงสร้างฉายรูปแบบแสงลายเส้นที่เผยรายละเอียดที่ซ่อนอยู่ผ่านผลการรบกวน
เทคนิคเหล่านี้ทำงานแตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิม แม้ว่าการใช้งานบางอย่างจำเป็นต้องใช้เซลล์ที่ตรึง (ไม่มีชีวิต) แต่แนวทางใหม่อย่าง PAINT สามารถติดตามโมเลกุลในเซลล์ที่มีชีวิตโดยการตรวจจับเหตุการณ์การจับและการปลดปล่อย ชุมชนได้สังเกตว่า MINFLUX เทคนิคล่าสุดจากห้องปฏิบัติการของ Stefan Hell เป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่มีแนวโน้มดีที่สุดในการติดตามเซลล์ที่มีชีวิต
การเปรียบเทียบเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง
| เทคนิค | วิธีการ | ความละเอียด | ข้อได้เปรียบหลัก |
|---|---|---|---|
| การระบุตำแหน่งโมเลกุลเดี่ยว | แท็กฟลูออเรสเซนต์กะพริบเปิด/ปิด | ลงไปถึง 20nm | การกำหนดตำแหน่งโมเลกุลที่แม่นยำ |
| การลดการปล่อยแสงด้วยการกระตุ้น | แหวนเลเซอร์รูปโดนัท | ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน | การควบคุมจุดโฟกัสที่คมชัด |
| การส่องแสงแบบมีโครงสร้าง | รูปแบบแสงเป็นลาย | รายละเอียดที่เพิ่มขึ้นผ่านการรบกวน | การเสริมสร้างแบบใช้รูปแบบ |
| MINFLUX | การติดตามการระบุตำแหน่งขั้นสูง | ความแม่นยำสูงสุด | การติดตามโมเลกุลในเซลล์มีชีวิต |
| กล้องจุลทรรศน์แบบขยาย | การขยายตัวอย่างทางกายภาพ | การขยายที่มีประสิทธิภาพ | ไม่มีข้อจำกัดทางแสง |
การค้นพบสถาปัตยกรรมเซลล์ใหม่
ความละเอียดที่เพิ่มขึ้นได้เผยให้เห็นโครงสร้างเซลล์ใหม่โดยสิ้นเชิง นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าเซลล์ประสาทมีโครงร่างลายนิ้วมือที่เรียกว่าโครงกระดูกเป็นระยะที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์ (MPS) ซึ่งให้การสนับสนุนโครงสร้างและช่วยควบคุมสัญญาณประสาท การค้นพบนี้ต้องการความแม่นยำของกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงเพราะโครงสร้าง MPS อยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบดั้งเดิมเพียงเล็กน้อย
นักวิจัยยังพบว่าไลโซโซม หน่วยกำจัดของเสียของเซลล์ มีความซับซ้อนมากกว่าที่ตำราเรียนแนะนำ ไลโซโซมต่างๆ มีการรวมกันของโปรตีนที่แตกต่างกันบนพื้นผิว แสดงให้เห็นว่าพวกมันทำหน้าที่เพิ่มเติมนอกเหนือจากการย่อยสลายของเสีย รวมถึงการซ่อมแซมเยื่อหุ้มเซลล์และการหลั่งของเซลล์
การค้นพบด้านเซลล์ที่สำคัญซึ่งเป็นไปได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง
- โครงกระดูกเป็นช่วงๆ ที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์ (MPS): โครงสร้างนั่งร้านของเซลล์ประสาทที่ให้ความแข็งแกร่งและควบคุมสัญญาณ
- ความหลากหลายของโปรตีนในไลโซโซม: การรวมกันของโปรตีนที่แตกต่างกันซึ่งบ่งชี้ถึงหน้าที่หลากหลายของเซลล์นอกเหนือจากการกำจัดของเสีย
- รูปแบบการจัดระเบียบของโครมาติน: การบรรจุ DNA ที่เผยให้เห็นประเภทเซลล์และสถานะการเปลี่ยนแปลงของเซลล์
- การตรวจจับตัวรับของเซลล์มะเร็ง: การระบุเป้าหมายการรักษาที่มองไม่เห็นด้วยวิธีมาตรฐาน (น้อยเพียง 5,000 โปรตีนในจำนวนหลายแสนโปรตีน)
- กลไกการเข้าสู่เซลล์ของไวรัส: ความต้องการการจับกับตัวรับหลายตัวเพื่อการบุกรุกเซลล์
- ปฏิสัมพันธ์ระหว่างออร์แกเนลล์: การสังเกตแบบเรียลไทม์ของการเชื่อมต่อระหว่างไมโตคอนเดรียและเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม
การจัดระเบียบ DNA เผยให้เห็นเอกลักษณ์ของเซลล์
สิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือ นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันสามารถกำหนดประเภทของเซลล์ที่พวกเขากำลังดูได้เพียงแค่สังเกตวิธีการจัดระเบียบ DNA เมื่อ DNA บรรจุเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์ มันจะสร้างห่วงและมัดที่สามารถศึกษาได้เฉพาะด้วยเทคนิคความละเอียดสูงเท่านั้น เซลล์ต้นกำเนิดในตัวอ่อนซึ่งสามารถกลายเป็นเซลล์ประเภทใดก็ได้ แสดงการจัดระเบียบ DNA แบบหลวมและแปรผัน เซลล์เฉพาะทางบรรจุยีนที่ไม่ใช้แน่นหนาในขณะที่เก็บยีนที่ใช้งานในการจัดเรียงแบบหลวมที่เข้าถึงได้
เราสามารถกำหนดได้จริงๆ ว่าเซลล์เป็นเซลล์ต้นกำเนิดหรือเซลล์ที่มีความเชี่ยวชาญตามการจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของโครมาติน
การค้นพบนี้มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อความเข้าใจว่าเซลล์รักษาเอกลักษณ์ของตนเองอย่างไรและเซลล์ต้นกำเนิดตัดสินใจว่าจะกลายเป็นอะไรอย่างไร
การปรับปรุงความแม่นยำของการรักษามะเร็ง
เทคโนโลยีนี้กำลังปรับปรุงการรักษามะเร็งแล้ว นักวิจัยพบว่าการรักษาที่ประสบความสำเร็จบางอย่างได้ผลแม้ว่าวิธีการตรวจจับมาตรฐานจะไม่สามารถหาโปรตีนเป้าหมายได้ กล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงเผยให้เห็นว่าการรักษาภูมิคุ้มกันที่ฆ่าเซลล์มะเร็งต้องการโปรตีนตัวรับเฉพาะเพียง 5,000 ตัวในบรรดาโปรตีนอื่นๆ หลายแสนตัวบนพื้นผิวของเซลล์มะเร็ง
ความแม่นยำนี้ช่วยให้แพทย์จับคู่ผู้ป่วยกับการรักษาที่มีประสิทธิภาพได้ดีขึ้นและนำไปสู่การระบุเป้าหมายการรักษาใหม่ ความสามารถในการมองเห็นว่าเซลล์ภูมิคุ้กันฆ่าเซลล์มะเร็งอย่างไรกำลังช่วยนักวิจัยปรับปรุงประสิทธิภาพการรักษา
การติดตามการติดเชื้อไวรัสแบบเรียลไทม์
นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคเหล่านี้เพื่อดูไวรัสบุกรุกเซลล์ ซึ่งอาจนำไปสู่ยาต้านไวรัสที่ดีกว่า การวิจัยเกี่ยวกับไวรัส Zika แสดงให้เห็นว่ามันต้องยึดติดกับโปรตีนตัวรับหลายตัวก่อนที่จะเข้าสู่เซลล์ได้ ไม่ใช่แค่ตัวเดียวตามที่เคยคิดมาก่อน การศึกษา COVID-19 เผยให้เห็นว่าไวรัสสร้างฟองป้องกันภายในเซลล์ที่มันคัดลอกวัสดุพันธุกรรม ปกป้องตัวเองจากการป้องกันของเซลล์
สาขานี้ยังคงขยายตัวอย่างรวดเร็ว โดยบริษัทอย่าง Eikon Therapeutics สร้างแพลตฟอร์มการค้นพบยาทั้งหมดรอบกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง แนวทางทางเลือกอย่างกล้องจุลทรรศน์การขยาย ซึ่งขยายตัวอย่างทางกายภาพแทนที่จะปรับปรุงความละเอียดทางแสง กำลังเพิ่มเครื่องมือมากขึ้นให้กับชุดเครื่องมือของนักวิจัย
เมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้เข้าถึงได้มากขึ้นและเป็นเรื่องปกติ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะค้นพบโครงสร้างและกระบวนการของเซลล์ที่ยังไม่รู้จักโดยสิ้นเชิงในปัจจุบัน ความมองโลกในแง่ดีของชุมชนแพร่กระจายได้ โดยนักวิจัยสังเกตว่าเพียง 20 ปีที่ผ่านมา การทะลุขีดจำกัดการเลี้ยวเบนดูเป็นไปไม่ได้
อ้างอิง: Super-resolution microscopes showcase the inner lives of cells