میکروسکوپ DNA روش کاملاً جدیدی را برای تصویر سلول ها ارائه می دهد.

 

به طور سنتی، دانشمندان از نور، اشعه ایکس و الکترون برای همسان کردن بافتها و سلولها استفاده کرده اند. امروزه، دانشمندان می توانند الیاف رشته مانند مغز را ردیابی کنند و حتی تماشای جنین موش زنده را مشاهده کنند که سلولهای ضربان را در قلب اولیه ایجاد می کند.

اما یک چیز وجود دارد که این میکروسکوپها نمی توانند ببینند: آنچه در سلولها در سطح ژنومی اتفاق می افتد.

اکنون، جوشوا وینشتین، بیوفیزیکدان، و همکارانش یک نوع تصویربرداری غیرمستقیم با عنوان "میکروسکوپ DNA" اختراع کرده اند که می تواند دقیقاً همین کار را انجام دهد. تیم به جای تکیه بر نور (یا اصلاً هر نوع نوری)، از "بارکدهای" DNA برای کمک به موقعیت های نسبی مولکول ها در یک نمونه استفاده می کنند.

 

وینشتین می گوید، با استفاده از میکروسکوپ دی ان ای، دانشمندان می توانند تصویری از سلولها بسازند و همزمان مقادیر عظیمی از اطلاعات ژنومی را جمع کنند. "این به ما لایه دیگری از زیست شناسی را می دهد که ما نتوانسته ایم آن را ببینیم."

وینشتین، مؤسسه پزشکی هوارد هیوز (HHMI) محقق آویو ریگو، و زیست شناس مولکولی، فنگ ژانگ، که به عنوان محقق HHMI در سال 2018 انتخاب شد، گزارش کار را 20 ژوئن 2019، در ژورنال Cell منتشر کردند.

ریگو می گوید: "این یک رده میکروسکوپی کاملاً جدید است." "این فقط یک تکنیک جدید نیست بلکه روشی برای انجام کارهایی است که قبلاً فکر نمی کردیم انجام شود."

یک چیز جدید

تاکنون میکروسکوپ در دو دسته اصلی قرار می گیرد. اولین مورد مبتنی بر اپتیک است. برای مثال میکروسکوپ نوری به دهه 1600 باز می گردد و برای روشنایی نمونه ها به نور مرئی متکی است. دانشمندان روی این رویکرد ایستاده اند، حتی فراتر از طیف قابل مشاهده است. میکروسکوپ های الکترونی، میکروسکوپ های فلورسانس، میکروسکوپ های با لایه نوری - همه اینها بر اساس این اصل هستند که نمونه ها فوتون یا الکترون ساطع می کنند و میکروسکوپ انتشار را تشخیص می دهد.
دسته دوم مبتنی بر جدا کردن نمونه ها در مکان های تعریف شده توسط میکروسکوپ است. برنامه های رایانه ای سپس هر قطعه جدا شده را به یک تصویر کامل از نمونه دست نخورده می چسبانند. تصویربرداری نوری می تواند پرتره هایی پیچیده از ساختار و عملکرد درون سلولی ارائه دهد. میکروسکوپ مبتنی بر دیسکسیون یا جداسازی می تواند اطلاعات ژنتیکی را به دانشمندان ارائه دهد.

وینشتین و همکارانش در انستیتوی فناوری ماساچوست می خواستند راهی را برای انجام همه این کارها در یک عکس ایجاد کنند - یک عکس فوری از موقعیت یک سلول بگیرند و دنباله های ژنتیکی خاصی را که منجر به آن می شود، بیان کنند.

این ترکیب برای دانشمندان که از نظر ژنتیکی مجموعه های متنوعی از سلول ها را مطالعه می کنند بسیار مهم است. وینشتین می گوید سیستم ایمنی یک نمونه عالی است. ژنهای سلولهای ایمنی می توانند تا یک حرف DNA متفاوت باشند. هر یک از تغییرات می تواند باعث تغییر چشمگیر در نوع آنتی بادی هایی که یک سلول ایجاد می کند شود. جایی که آن سلول در یک بافت قرار دارد می تواند تولید آنتی بادی را نیز تغییر دهد.

اگر فقط به یک یا دیگری توجه کنید، "فقط بخشی از تصویر را بدست می آورید".

چگونه کار می کند؟

ریگو می گوید، گرفتن چنین تصویر کاملی از یک سلول به یک میکروسکوپ گران قیمت یا تجهیزات فانتزی زیادی نیاز ندارد. تمام آنچه شما برای شروع کار نیاز دارید نمونه و پیپت است.

اول، دانشمندان سلولهایی را که در آزمایشگاه رشد کرده اند می گیرند و آنها را در یک اتاق واکنش قرار می دهند. سپس، آنها مجموعه ای از بارکدهای DNA را اضافه می کنند. اینها به مولکول های RNA می چسبند و به هر کدام یک برچسب منحصر به فرد می دهند. در مرحله بعد، تیم از یک واکنش شیمیایی برای ساخت نسخه های بیشتر و بیشتر از هر مولکول برچسب زده شده استفاده می کند - توده در حال رشد که از محل اصلی هر مولکول خارج می شود.

وینشتین می گوید: "تک تک مولکول ها را به عنوان یک برج رادیویی تصویر کنید که سیگنال خود را از خارج پخش می کند."

سرانجام، مولکولهای برچسب خورده باهم برخورد می کنند و آنها را مجبور می کنند تا به صورت جفت به یکدیگر پیوند دهند. مولکولهایی که در نزدیکی یکدیگر قرار دارند احتمالاً با هم برخورد می کنند و جفت های DNA بیشتری تولید می کنند. مولکولهای دیگر از هم جدا، جفت کمتری تولید می کنند.

یک دستگاه توالی DNA حروف هر مولکول موجود در نمونه را که تا 30 ساعت طول می کشد، بیان می کند. سپس الگوریتمی که تیم ایجاد کرده است داده ها را رمزگشایی می کند - که در مقاله، تقریباً 50 میلیون حرف DNA توالی ژنتیکی از هر نمونه اصلی را نشان می دهد - و داده های خام را به تصاویر تبدیل می کند.

وینشتین می گوید: "شما اساساً قادر هستید دقیقاً آنچه را که زیر میکروسکوپ نوری مشاهده می کنید، بازسازی کنید."
وی می افزاید: این دو روش مکمل هستند. میکروسکوپ نوری می تواند مولکول ها را حتی در صورت پراکنده بودن در یک نمونه خوب ببیند، و میکروسکوپ DNA وقتی متراکم باشد - حتی روی یکدیگر قرار گرفته باشند.

او فکر می کند که میکروسکوپ DNA می تواند روزی به دانشمندان اجازه دهد تا روش های درمانی ایمونوتراپی را که به سیستم ایمنی بیماران در مبارزه با سرطان کمک می کند، سرعت ببخشند. وی می گوید، این روش به طور بالقوه می تواند سلولهای ایمنی را که به بهترین وجه مناسب برای هدف قرار دادن سلول سرطانی خاص هستند، شناسایی کند.

ژانگ می گوید، هر سلول یک ترکیب منحصر به فرد از حروف DNA یا ژنوتیپ دارد. "با گرفتن اطلاعات به طور مستقیم از مولکولهای مورد مطالعه، میکروسکوپ DNA راهی جدید برای اتصال ژنوتیپ به فنوتیپ باز می کند."

ریگو اضافه می کند که امکانات این دسته از میکروسکوپ گسترده است. "ما امیدواریم که این تخیل را برانگیزد - که مردم از ایده های خوبی که ما هرگز در مورد آنها فکر نکرده ایم، الهام می گیرند."

منبع:
Joshua A. Weinstein et al. "DNA microscopy: Optics-free spatio-genetic imaging by a stand-alone chemical reaction." Cell. Published online June 20, 2019. doi: 10.1016/j.cell.2019.05.019