A nyitókép jobbra a tubulin nevű fehérje létező szuperfelbontású és expanziós mikroszkópiás módszerekkel készült felvételei (1–3. panelek) és a ONE mikroszkópiás technikával készült felvételei (4. és 5. panelek) láthatók.

Amikor Ali Shaib a Libanoni Egyetemen a mesterképzést végzete, több hetet kellett várnia, hogy néhány képet készíthessen egy drága mikroszkóppal, ami a tehetősebb országokban élő kutatóknak állandóan rendelkezésére áll. Shaib, aki jelenleg a Göttingeni Egyetem orvosi központjának nanospecialistája, kollégáival nemrégiben egy olyan módszert dolgozott ki közönséges fénymikroszkópokhoz, amely reményeik szerint felszámolja ezeket az kutatási korlátokat.

A módszer, amellyel különálló fehérjékről és a sejtekben eddig soha nem látott struktúrákról lehet lenyűgöző képeket készíteni, olyan részletességű felvételeket kínál, amely adott esetben még a több millió dolláros, „szuperfelbontású” mikroszkópokét is felülmúlja. „A mikroszkópiában demokráciára van szükség” – mondja Silvio Rizzoli, szintén a Göttingeni Egyetem nanospecialistája, aki Shaibbal együtt kulcsszerepet játszott volt a ONE mikroszkópiának elnevezett technika kifejlesztésében. „Ez a nagy felbontás a tömegekért van, nem pedig a néhány gazdag laboratóriumért” – folytatja a kutató.

A hagyományos fénymikroszkópok teljesítményét az optika törvényei korlátozzák, ez azt jelenti, hogy a 200 nanométernél kisebb objektumok homályosan jelennek meg. Az új fejlesztést kidolgozó kutatók elmondása szerint azonban módszerükkel ez a határ 10 nm alattira csökkenthető.

Egy 2014-ben kémiai Nobel-díjjal jutalmazott koncepció optikai trükköket és a fehérjékhez kötött fluoreszcens molekulákat alkalmaz a fénymikroszkópia határainak feszegetésére. 2015-ben pedig egy másik módszer is született ugyanerre az MIT egyik kutatócsoportja igazolta, hogy a szövetek „felfújása” – egy pelenkákban megtalálható nedvszívó vegyület segítségével – eltávolítja egymástól a sejtek objektumait. Ez az expanziós mikroszkópiának nevezett technika ugrásszerű javulást eredményezett a fénymikroszkópok felbontásában, és körülbelül 20 nm-es struktúrák is megjeleníthetővé váltak.

Shaib és Rizzoli technikája – amelyet a bioRxiv preprint szerveren múlt hónapban közzétett tanulmányukban részleteznek – a két megközelítést egyesítve 1 nm alatti felbontást ért el. Ez elég éles ahhoz, hogy feltárja az egyes fehérjék alakját, amelyeket jellemzően sokkal drágább szerkezetbiológiai módszerekkel, például krio-elektronmikroszkópiával (krio-EM) vagy röntgenkrisztallográfiával szoktak leképezni.

Az expanziós mikroszkópiában a mintákat olyan vegyszerekkel kezelik, amelyek a fehérjéket egy polimerhez rögzítik, amely víz hozzáadásával eredeti méretének ezerszeresére duzzad, és így a molekulák eltávolodnak egymástól. A ONE (one-step nanoscale-expansion, azaz egylépéses nanoszintű expanziós) mikroszkópia hővel vagy enzimekkel magukat a fehérjéket is darabjaira szedi, így az egyes fragmentumok is elkülönülnek és megnövekednek a tágulás során.

A kutatók a módszerrel egy idegrendszeri molekuláról, a GABAA-receptorról készítettek olyan képeket, amelyek nagyon hasonlítanak a fehérje sokkal nagyobb felbontású krio-EM-es és röntgenkrisztallográfiás képeihez. Megörökítették továbbá az otoferlin nevű terjedelmes fehérje körvonalait is, amelynek szerkezetét még nem sikerült meghatározni, de az agyban a hangjelzések továbbításában vesz részt. A ONE metódussal leképezett alak nagyon hasonlít az AlphaFold mélytanuló hálózat által készített szerkezeti előrejelzéshez.

Az új módszer felbontása persze nem éri el a krio-EM felbontását, amely egyes esetekben 0,2 nm-nél kisebb, és amely közel atomi szintű részleteket képes feltárni. A krio-EM azonban kényes és költséges rendszer, míg a ONE mikroszkópia gyors és egyszerű módot kínálhat arra, hogy szinte bármilyen molekulával kapcsolatban szerkezeti betekintést nyerjünk, mondja Rizzoli. „Bármilyen fehérjét megnézhetünk, és olyan felbontást kaphatunk, amiről eddig álmodni sem mertünk.”

Rizzoli, aki Romániából érkezett Németországba, elmondása szerint a módszer kifejlesztésekor fontos motiváció volt, hogy szélesítsék a hozzáférést a legfejlettebb mikroszkópiához. A ONE egyszerűen alkalmazható, és a ma már elavultnak számító, 1990-es évekbeli fluoreszcens mikroszkópokkal is működik.

Az új módszer máris számos érdeklődőt vonz. Salma Tammam, a kairói Német Egyetem gyógyszertechnológusa idén nyáron egy PhD-hallgatót küld Göttingenbe a technika elsajátítására. Laboratóriuma a nanorészecskék sejten belüli mozgását vizsgálja, de mint sok alacsony és közepes jövedelmű országban dolgozó kutatónak, nekik sincs hozzáférésük drága szuperfelbontású mikroszkópokhoz.

A szuperfelbontású mikroszkópia elérhetőségének kiszélesítése ugyanakkor a jól finanszírozott intézmények tudósai számára is fontos lehet, mondja Noa Lipstein, a berlini Leibniz Központ szinapszisbiológusa. Lipsteinnek ugyan hozzáférése van a legfejlettebb, szuperfelbontású eszközökhöz is, de nemrég indított egy független kutatócsoportot, amelyben a ONE mikroszkópiát alkalmazzák az idegi szinapszisok finom részleteinek kutatásában, ez ugyanis nagyobb függetlenséget és kevesebb kötöttséget tesz lehetővé a vizsgálatokban.