Bir MIT ekibi 2015 yılında genişleme mikroskobunu piyasaya sürdüğünden beri teknik, böbrek hastalığı, bitki tohumları, mikrobiyom, Alzheimer, virüsler ve daha fazlasının arkasındaki bilime güç verdi.

Yaklaşık 150 yıl önce, bilim adamları zamanın mikroskopları altında gördükleri nöronların şekillerine dayanarak bilginin beyinden nasıl akabileceğini hayal etmeye başladılar. Günümüzün görüntüleme teknolojileriyle bilim adamları, nöronların birbirleriyle iletişim kurduğu küçük sinapsları ve hatta hücrelerin mesajlarını iletmek için kullandıkları molekülleri görerek çok daha yakınlaştırabilirler. Bu iç görüşler, sağlıklı beyinlerin nasıl çalıştığı hakkında yeni fikirlere yol açabilir ve hastalığa katkıda bulunan önemli değişiklikleri ortaya çıkarabilir.
Biyolojinin bu daha keskin görünümü sadece mikroskopları her zamankinden daha güçlü hale getiren ilerlemelerle ilgili değil. MIT McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü araştırmacısı Edward Boyden’ın laboratuvarında geliştirilen metodolojiyi kullanan dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, en iyi özelliklerinin daha net görülebilmesi için orijinal boyutlarının 20 katına kadar şişmiş görüntüleme örnekleridir.
Aynı zamanda Howard Hughes Tıp Enstitüsü (HHMI) araştırmacısı, beyin ve bilişsel bilimler ve biyolojik mühendislik profesörü ve MIT’deki Yang Tan Kolektifi üyesi olan Boyden, “Bu, mikroskopi yapmanın çok farklı bir yolu” diyor. “Bir nesneden gelen bir ışık görüntüsünü büyütmek için bir lens kullandığınız son 300 yıllık biyogörüntülemenin aksine, nesnelerin kendilerini fiziksel olarak büyütüyoruz.” Boyden, bir doku genişletildikten sonra, araştırmacıların yaygın olarak bulunan geleneksel mikroskopi donanımıyla bile daha fazlasını görebileceklerini söylüyor.
Boyden’ın ekibi, 2015 yılında genişleme mikroskobi (ExM) olarak adlandırdıkları bu yaklaşımı tanıttı. O zamandan beri, yöntemi rafine ediyor ve yeteneklerine katkıda bulunurken, MIT ve ötesindeki araştırmacılar yaşam hakkında en küçük ölçeklerde bilgi edinmek için onu kullanıyorlar.
Boyden, “Biyoloji ve tıp boyunca çok hızlı bir şekilde yayılıyor” diyor. “Böbrek hastalığına, meyve sineği beynine, bitki tohumlarına, mikrobiyoma, Alzheimer hastalığına, virüslere ve daha fazlasına uygulanıyor.”
ExM’nin Kökenleri
Genişleme mikroskobu geliştirmek için Boyden ve ekibi, pratik kullanıma sunulmuş olağanüstü su emici özelliklere sahip bir malzeme olan hidrojele yöneldi; bebekleri kuru tutmak için tek kullanımlık bebek bezlerinin içine katmanlandı. Boyden’ın laboratuvarı, hidrojellerin orijinal ağırlıklarının yüzlerce katını suda emerken yapılarını koruyabileceklerini ve şiştikçe kimyasal bileşenleri arasındaki boşluğu genişletebileceklerini varsaydı.
Bazı deneylerden sonra Boyden’ın ekibi, daha iyi görüntüleme için doku örneklerini genişletmek için dört temel adım üzerinde karar verdi. İlk olarak, dokuya bir hidrojel aşılanmalıdır. Dokunun bileşenleri, biyomoleküller, jelin ağ benzeri matrisine sabitlenir ve bunları doğrudan jeli oluşturan moleküllere bağlar. Daha sonra doku kimyasal olarak yumuşatılır ve su eklenir. Hidrojel suyu emdikçe şişer ve doku genişler, eşit şekilde büyür, böylece bileşenlerinin göreceli konumları korunur.
Boyden ve yüksek lisans öğrencileri Fei Chen ve Paul Tillberg’in genişleme mikroskobu hakkındaki ilk raporu 2015 yılında Science dergisinde yayınlandı. Ekip, hücrelerin içinde kalabalık olan molekülleri birbirinden ayırarak, standart bir ışık mikroskobu altında birlikte bulanıklaşacak özelliklerin ayrı ve farklı hale geldiğini gösterdi. Işık mikroskopları, fizik yasalarının dayattığı bir sınır olan yaklaşık 300 nanometre ayrılmış nesneler arasında ayrım yapabilir. Genişleme mikroskobu ile Boyden’in grubu, dört kat genişleme için yaklaşık 70 nanometrelik etkili bir çözünürlük bildirdi.
Boyden, bunun biyologların ihtiyaç duyduğu bir netlik seviyesi olduğunu söylüyor. “Biyoloji temelde, sonuçta, nano ölçekli bir bilimdir,” diyor. “Biyomoleküller nano ölçeklidir ve biyomoleküller arasındaki etkileşimler nano ölçekli mesafeler üzerindedir. Biyoloji ve tıptaki en önemli sorunların çoğu nano ölçekli soruları içerir.” Her biri kendi avantajları ve dezavantajları olan çeşitli sofistike mikroskoplar, bu tür ayrıntıları gün ışığına çıkarabilir. Ancak bu yöntemler maliyetlidir ve özel beceriler gerektirir, bu da onları çoğu araştırmacı için erişilemez hale getirir. Boyden, “Genişleme mikroskobu nanogörüntülemeyi demokratikleştiriyor” diyor. “Şimdi, herkes gidip hayatın yapı taşlarına ve birbirleriyle nasıl ilişki kurduklarına bakabilir.”
Bilim adamlarını güçlendirmek
Boyden’ın ekibi 2015 yılında genişleme mikroskobunu tanıttığından beri, dünyanın dört bir yanındaki araştırma grupları, genişleme mikroskobu kullanarak yaptıkları keşifleri bildiren yüzlerce makale yayınladı. Sinirbilimciler için teknik, ayrıntılı nöral devrelerin karmaşıklıklarını aydınlattı, belirli proteinlerin nöronlar arasındaki iletişimi kolaylaştırmak için sinapslarda ve sinapslar arasında kendilerini nasıl organize ettiğini ortaya çıkardı ve yaşlanma ve hastalıkla ilişkili değişiklikleri ortaya çıkardı.
Beynin ötesindeki çalışmalar için eşit derecede güçlendirici olmuştur. Sabrina Absalon, her hafta Indiana Üniversitesi Tıp Fakültesi’ndeki laboratuvarında, konakçılarının içinde enfekte olmasını ve yaşamasını sağlayan özel yapılarla dolu tek hücreli bir organizma olan sıtma parazitini incelemek için genişleme mikroskobu kullanır. Parazit o kadar küçük ki, bu yapıların çoğu sıradan ışık mikroskobu ile görülemiyor. “Yani bir hücre biyoloğu olarak, protein fonksiyonunu, organel mimarisini, morfolojiyi, işlevle bağlantılı ve tüm bu şeyleri çıkarmak için en büyük aracı kaybediyorum – ki bu benim gözüm,” diyor. Genişleme ile sadece bir sıtma parazitinin içindeki organelleri görmekle kalmaz, birleşmelerini izleyebilir ve parazit bölündüğünde başlarına gelenleri takip edebilir. Bu süreçleri anlamanın, ilaç geliştiricilerinin parazitin yaşam döngüsüne müdahale etmenin yeni yollarını bulmalarına yardımcı olabileceğini söylüyor.
Absalon, genişleme mikroskobunun erişilebilirliğinin, dünyanın kaynakların sınırlı olduğu bölgelerinde çok fazla araştırmanın yapıldığı parazitoloji alanında özellikle önemli olduğunu ekliyor. Afrika, Güney Amerika ve Asya’daki atölye çalışmaları ve eğitim programları, teknolojinin toplulukları sıtma ve diğer parazitlerden doğrudan etkilenen bilim insanlarına ulaşmasını sağlıyor. Absalon, “Artık çok süslü ekipman olmadan süper çözünürlüklü görüntüleme elde edebilirler” diyor.
Her zaman gelişmek
2015’ten bu yana Boyden’in disiplinler arası laboratuvar grubu, genişleme mikroskobunu geliştirmek ve yeni şekillerde kullanmak için çeşitli yaratıcı yollar buldu. Bugün standart teknikleri daha iyi etiketleme, daha büyük genişleme faktörleri ve daha yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlar. Birbirinden 20 nanometreden daha az olan hücresel özellikler artık ışık mikroskobu altında farklı görünecek kadar ayrılabilir.
Ayrıca protokollerini, tüm yuvarlak solucanlardan (sinirbilimciler, gelişim biyologları ve diğer araştırmacılar arasında popüler) klinik örneklere kadar bir dizi önemli örnek türüyle çalışacak şekilde uyarladılar. İkinci olarak, genişlemenin daha erken veya daha az maliyetli tanıları mümkün kılabilecek ince hastalık belirtilerini ortaya çıkarmaya yardımcı olabileceğini gösterdiler.
Başlangıçta grup, ilgilenilen proteinleri etiketleyerek ve genişlemeden önce hidrojele sabitleyerek hücrelerin içindeki proteinleri görselleştirmek için protokolünü optimize etti. Örnekleri işlemenin yeni bir yolu ile kullanıcılar artık genişletilmiş örneklerini birden fazla görüntüleme turu için yeni etiketlerle yeniden boyayabilirler, böylece aynı dokudaki düzinelerce farklı proteinin konumlarını belirleyebilirler. Bu, araştırmacıların moleküllerin birbirlerine göre nasıl organize edildiğini ve nasıl etkileşime girebileceklerini görselleştirebilecekleri veya örneğin hastalıkla nelerin değiştiğini görmek için büyük protein kümelerini araştırabilecekleri anlamına gelir.
Ancak proteinlerin daha iyi görünümleri, genişleme mikroskobu için sadece bir başlangıçtı. Boyden, “Her şeyi görmek istiyoruz,” diyor. “Var olan her biyomolekülü atomik ölçeğe kadar hassas bir şekilde görmeyi çok isteriz.” Henüz orada değiller – ancak yeni problar ve değiştirilmiş prosedürlerle, artık genişletilmiş doku örneklerinde sadece proteinleri değil, aynı zamanda RNA ve lipitleri de görmek mümkün.
Hücreleri çevreleyen zarları oluşturanlar da dahil olmak üzere lipitlerin etiketlenmesi, araştırmacıların artık genişletilmiş dokulardaki hücrelerin net ana hatlarını görebilecekleri anlamına geliyor. Genişlemenin sağladığı gelişmiş çözünürlükle, nöronların ince projeksiyonları bile bir görüntü aracılığıyla izlenebilir. Tipik olarak, araştırmacılar beynin devresini haritalamak için mükemmel derecede ayrıntılı resimler üreten ancak pahalı ekipman gerektiren elektron mikroskobuna güvendiler. Boyden, “Şimdi, elektron mikroskobu görüntülerine çok benzeyen, ancak herkesin erişebileceği türden normal eski ışık mikroskoplarında görüntüler alabilirsiniz” diyor.
Boyden, genişlemenin diğer son teknoloji aletlerle birlikte güçlü olabileceğini söylüyor. Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nde bir HHMI araştırmacısı olan Eric Betzig tarafından geliştirilen ve kafes ışık tabakası mikroskopisi adı verilen ultra hızlı bir görüntüleme yöntemiyle genişletilmiş numuneler kullanıldığında, bir meyve sineğinin tüm beyni sadece birkaç gün içinde yüksek çözünürlükte görüntülenebilir.
Ve RNA molekülleri bir hidrojel ağına sabitlendiğinde ve daha sonra yerinde sıralandığında, bilim adamları, Boyden’ın ekibinin Harvard Üniversitesi genetikçisi George Church ve o zamanki MIT profesörü Aviv Regev ile işbirliğinde gösterdiği spesifik proteinleri oluşturma talimatlarının hücrelerin içinde tam olarak nerede konumlandırıldığını görebilirler. Boyden, “Genişleme temel olarak diğer birçok teknolojinin çözünürlüklerini yükseltiyor” diyor. “Kütle özellikli görüntüleme, X-ışını görüntüleme veya Raman görüntüleme mi yapıyorsunuz? Genişleme sadece enstrümanınızı geliştirdi.”
Genişleyen olasılıklar
Genişleme mikroskobunun gücünün ilk gösteriminden on yıl sonra, Boyden ve ekibi genişleme mikroskobunu daha güçlü hale getirmeye devam etmeye kararlıdır. “Farklı sorun türleri için optimize etmek istiyoruz ve teknolojileri daha hızlı, daha iyi ve daha ucuz hale getirmek her zaman önemlidir” diyor. Ancak genişleme mikroskobunun geleceği, Boyden laboratuvarı dışındaki yenilikçiler tarafından da desteklenecek. Boyden, “Genişleme sadece yapmak kolay değil, aynı zamanda değiştirmek de kolaydır – bu nedenle diğer birçok insan bizimle işbirliği içinde, hatta kendi başlarına genişlemeyi geliştiriyor” diyor.
Boyden, Almanya’daki Göttingen Üniversitesi Tıp Merkezi’nde Silvio Rizzoli liderliğindeki ve Boyden ile işbirliği yaparak, proteinlerin fiziksel şekillerini ayırt etmek için genişleme protokolünü uyarlayan bir gruba işaret ediyor. Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde, Boyden’ın grubunda eski bir doktora sonrası olan Jae-Byum Chang liderliğindeki araştırmacılar, fare embriyolarının ve genç zebra balıklarının tüm vücutlarının nasıl genişletileceğini araştırdılar ve Boyden ile işbirliği yaparak, yeni bir ayrıntı düzeyiyle gelişimsel süreçleri ve uzun mesafeli nöral bağlantıları incelemek için zemin hazırladılar. Ve beynin yoğun nöral devreleri içindeki haritalama bağlantıları, Johann Danzl ve Avusturya’daki Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki meslektaşları tarafından geliştirilen ve genişleme mikroskobunun ortaya çıkarabileceği hem yüksek çözünürlüklü hem de moleküler bilgiden yararlanan bir yaklaşım olan ışık mikroskobu tabanlı knektomik ile daha kolay hale gelebilir.
Boyden, “Genişlemenin güzelliği, biyolojik bir sistemi en küçük yapı taşlarına kadar görmenize izin vermesidir” diyor.

Ekibi, yöntemi fiziksel sınırlarına zorlamaya niyetlidir ve bunu yaparken keşif için yeni fırsatlar öngörmektedir. “Beyni veya herhangi bir biyolojik sistemi bireysel moleküller düzeyinde haritalayabilirseniz, hepsinin bir ağ olarak birlikte nasıl çalıştığını – yaşamın gerçekte nasıl işlediğini görebilirsiniz” diyor.

Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.