قام الفيزيائيون بتحسين المجهر الإلكتروني حتى يتمكن علماء الأحياء من رؤية البروتينات الصغيرة بالتفصيل.

عندما بدأت المجاهر الضوئية في التكبير بدرجة كافية لرؤية الخلايا الفردية، واجه الباحثون مشكلة التباين المنخفض. تكون الخلايا الحيوانية والنباتية في الغالب شفافة للضوء المرئي. تشتت الهياكل الخلوية الصغيرة، النوى والميتوكوندريا، كميات صغيرة من الضوء، مما يجعلها أغمق قليلاً من بقية محتويات الخلية. عادة ما يتم تحسين هذا التباين المنخفض عن طريق صبغ المادة البيولوجية، على الرغم من أن هذا يغير الخلية بشكل كبير. قام فريتز زيرنيك بحل مشكلة التباين المنخفض من خلال اقتراح لوحة الطور، والتي حصل على جائزة نوبل عنها. لقد أدرك أن الضوء، الذي ينتشر على الخلية، لا يفقد السطوع (السعة) فحسب، بل يتباطأ أيضا ويتغير مرحلته. إن تحول الطور غير مرئي للعين البشرية، ولكن يمكن إظهاره عن طريق إزاحة طور الضوء غير المبعثر بمقدار 90 درجة. عندما يتركز الضوء المنتشر وغير المبعثر على شبكية العين ويتفاعلان، فإن موجات الضوء تعزز أو تلغي بعضها البعض. بهذه الطريقة، تصبح تفاصيل العينة مرئية بشكل أفضل ويزداد التباين. ولاستغلال هذا التأثير، أضاف العالم لوحة الطور إلى المجهر. يقوم هذا الجزء بتدوير مرحلة الضوء التي تمر عبر العينة دون التشتت.

يستخدم علماء الأحياء الآن المجاهر الإلكترونية لدراسة الهياكل الصغيرة داخل الخلايا. يقوم هذا الجهاز بتوجيه الإلكترونات بدلاً من الفوتونات إلى العينة. لكن هذا الفحص المجهري أظهر أيضًا مشكلة التباين. علاوة على ذلك، لم يكن من الممكن إنشاء تماثلي للوحة الطور للمجهر الإلكتروني لفترة طويلة – عندما قام المجربون بتغيير مرحلة شعاع الإلكترون، فقد قللوا في الوقت نفسه من شدته كثيرًا، أو جعلوا الصور غير مستقرة أو قللوا من دقتها. لقد وجد الفيزيائيون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي (الولايات المتحدة الأمريكية) طريقة لزيادة تباين الصور لدرجة أن البروتينات البشرية الصغيرة مثل الهيموجلوبين تصبح مرئية بوضوح. وقد تطلب ذلك أكثر من 10 سنوات من البحث واستخدام ليزر قوي بدقة تركيز عالية. نُشرت مقالة عن التطور في مجلة Science. ركز العلماء على الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد والتصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد، وهي تقنيات تعمل بتكبير عالٍ على عينة شديدة التبريد. معظم البروتينات البشرية والحيوانية التي لا تحتوي على تعزيز التباين تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تحليلها بهذه الطرق. ولحل المشكلة، أضاف الفيزيائيون إشعاع الليزر بدلاً من اللوحة. قاموا بتركيز شعاع ليزر مستمر في بقعة بحجم عدة ميكرونات وبقوة 75 كيلووات. عند نقطة التقاطع مع شعاع الإلكترون، يزيح إشعاع الليزر مرحلته بمقدار 90 درجة بسبب الطاقة المتراكمة. صور لبروتينين – أبوفيريتين والهيموجلوبين – تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد بدون لوحة طور الليزر ومعها / © Holger Müller، Jessie Zhang / UC Berkeley في الورقة، أظهر الباحثون صورًا مُعاد بناؤها لإنزيم ألدولاز، وهو من السهل نسبيًا تصوره، والهيموجلوبين، وهو بروتين يحمل الأكسجين في الدم، والذي يمكن رؤيته في حدود الأدوات الحالية. قامت لوحة طور الليزر بتحسين دقة بنية البروتين في كلتا الحالتين، ولكن بشكل خاص بالنسبة للجزيء الأصغر، الهيموجلوبين. يتم قياس الكتلة الجزيئية للبروتين بالدالتون. يواجه المجهر الإلكتروني البارد الحديث صعوبة في رؤية البروتينات الأصغر من 70 كيلو دالتون، وهي تشكل حوالي 90 بالمائة من جميع البروتينات الموجودة في جسم الإنسان. يعتقد مؤلفو المقال أنه باستخدام لوحة الطور الليزري، أصبح من الممكن فحص البروتينات التي يصل حجمها إلى 50 كيلو دالتون، وهو ما يمثل بالفعل نصف البروتينات البشرية. ويأملون في خفض حجم الميوجلوبين إلى حجم الميوجلوبين، أي نحو 17 كيلودالتون.

وقال هولجر مولر، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي (الولايات المتحدة الأمريكية)، الذي قاد عملية التطوير: “هذه الإضافة إلى المجهر الإلكتروني المبرد لديها القدرة على سد فجوة كبيرة في معرفتنا لهياكل البروتينات التي لا يمكن بلورتها أو التي تكون صغيرة جدًا بالنسبة للحالة الراهنة من الفن. وبالنسبة للتصوير المقطعي الإلكتروني المبرد، سيكون هذا بمثابة ثورة”. يعتقد الباحثون أن مثل هذه الدقة يمكن أن تغير نوعيًا فهمنا لآليات حدوث الأمراض وتطورها.