Új világ tárul fel a mikroszkópok alatt

A 17. századi holland zoológus, a mikroszkóp feltalálójaként ismert Antonie van Leeuwenhoek volt az első, aki hivatalosan leírta a vörösvértesteket és a spermiumokat az emberi szövetekben, és megfigyelte az „állatkákat” – baktériumokat és protisztákat – egy tó vizében. Eszközét egyre erősebb fénymikroszkópok követték, melyek feltárták a sejtszervecskéket, például a sejtmagot és az energiatermelő mitokondriumokat.

1873-ra a tudósok rájöttek, hogy a részletesség szintje korlátozott. Amikor a fény áthalad egy lencsén, a fény diffrakció révén szétterjed. Ez azt jelenti, hogy két objektumot nem lehet megkülönböztetni, ha nagyjából 250 nanométerre (a méter 250 milliárdod részén) vannak egymástól – inkább csak elmosódottnak tűnnek. Így korlátokba ütközött a sejtszerkezetek belső működésének megismerése.

Az elektronmikroszkópia, amely fény helyett elektronsugarakat használ, nagyobb felbontást kínál, az így kapott fekete-fehér képek ugyanakkor megnehezítik a fehérjék megkülönböztetését, és a módszer csak az elhalt szervezeteken, sejteken alkalmazható.

Most azonban az optikai mérnökök és fizikusok kifinomult trükköket fejlesztettek ki a fénymikroszkópok diffrakciós határának leküzdésére, és a részletek új világát nyitják meg.

Ezek a „szuperfelbontású” fénymikroszkópos technikák akár 100 nanométeres, sőt néha 10 nanométernél kisebb tárgyakat is megkülönböztethetnek. A tudósok apró, fluoreszcens jelöléseket rögzítenek az egyes fehérjékre vagy DNS-darabokra, gyakran élő sejtekben, ahol működés közben figyelhetik őket.

Új technikák

Ennek eredményeként most kulcsfontosságú tudásbeli hiányosságokat pótolnak arról, hogyan működnek a sejtek, és mi romlik el például akkor, amikor kialakul egy-egy neurológiai betegség, mi történik a rákos sejtburjánzásokban vagy vírusfertőzések során. „Új biológia tárul fel előttünk, olyan dolgokat figyelünk meg, amelyekben bíztunk, de korábban nem láttunk” – nyilatkozta Lothar Schermelleh molekuláris sejtbiológus, aki az Egyesült Királyságban az Oxfordi Egyetem képalkotó központját vezeti.

Íme, néhány módszer, amelyet a tudósok alkalmaznak a fénymikroszkópia új korszakában:

• A szuperfelbontású mikroszkópia számos technikát alkalmaz olyan részletek kimutatására, amelyeket általában a diffrakciós határ rejtene – magyarázza Schermelleh. Az egymolekulás lokalizációs mikroszkópia (SMLM) például kihasználja azt a tényt, hogy a képen lévő foltokat könnyebb pontosan lokalizálni, ha elszigetelten jelennek meg, nem pedig csoportosítva. A tudósok az érdeklődésre számot tartó molekulákat fluoreszcens jelölésekkel látják el, amelyek spontán fénykibocsátásra szolgálnak. Ahogy a szondák be- és kikapcsolnak, a számítási modellek pontosan megbecsülik, hogy hol találhatók az egyes molekulák – és rekonstruálják a minta nagy felbontású képét.
• Egy másik technika, a stimulált emissziós kimerülés (STED) mikroszkópia lézerekkel szkenneli a mintákat, amelyeket egy második, fánk alakú lézergyűrű vesz körbe, és ami kioltja a fluoreszkáló fényt az érdeklődési terület körül, élesítve a mikroszkóp felbontását.
• A harmadik módszer az úgynevezett strukturált megvilágítású mikroszkópia, mely csíkos fénymintával világítja meg a vizsgálni kívánt anyagot. Ezek a csíkok olyan módon zavarják a mintából kiáramló fényt, ami lehetővé teszi a tudósok számára, hogy további részletekre következtessenek a képről.

Schermelleh szerint ezeknek a technikáknak az alapjait a 2000-es évek elején fejlesztették ki, de csak a közelmúltban váltak széles körben elterjedtté és eléggé hozzáférhetővé ahhoz, hogy a biológusok rutinszerűen használhassák. „Ma már nagyon sok olyan projektünk van, amely a szuperfelbontású mikroszkópiát valódi eszközként használja a biológiai felfedezéshez” – mondta.

<!– [if IE 9]><![endif]–>

STED és konfokális mikroszkóp felbontásának összehasonlítása.

Forrás: Wikimedia Commons / Howard Vindin CC BY-SA 4.0

Új felfedezések

A megoldások már mostanra új sejtstruktúrákat tártak fel. A tudósok felfedezték, hogy az idegsejteknek van egy egyedülálló vázuk, az úgynevezett membránhoz kapcsolódó periodikus váz vagy MPS, amely merevséget és formát biztosít, segít szabályozni az egyik idegsejtről a másikra áthaladó jeleket, és segít fenntartani a sejtek általános működését. „Az MPS szinte az összes idegrendszeri funkcióban részt vesz” – állítja Victor Macarrón-Palacios, a Columbia Egyetem neurobiológusa, aki nemrégiben kollégáival arról számolt be, hogy egy adott fehérje, a paralemmin-1 felelős az MPS bonyolult szerkezetének megszervezéséért.

Más sejtstruktúrák is összetettebbnek bizonyulnak, mint amilyennek látszottak. 2025 elején Melike Lakadamyali, a Pennsylvaniai Egyetem biofizikusa és munkatársai felfedezték, hogy a lizoszómáknak nevezett organellumok – amelyek tankönyvi szerepe a sejtekben lévő „hulladékanyagok” lebontása – felületén különböző fehérjekombinációk lehetnek. Ez valószínűleg a specifikus lizoszómák további funkcióihoz kapcsolódik, mint például a tápanyagok érzékelése és a sérült membránok javítása.

A tudósok azt is tanulmányozták, hogy az organellumok hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással. Jennifer Lippincott-Schwartz, a virginiai Howard Hughes Orvosi Intézet Janelia Kutatókampuszának sejtbiológusa például azokat a struktúrákat vizsgálja, amelyek a mitokondriumokkal és a fehérjetermelő endoplazmatikus retikulumokkal kapcsolatosak, mely utóbbi például kalciumot és lipideket szállít a mitokondriumokhoz.

Az ilyen vizsgálatok segíthetnek feltárni a betegségek okait. Tavaly Lippincott-Schwartz megtudta, hogy a VAPB gén mutációi, amelyekről úgy gondolják, hogy hozzájárulnak az ideggyilkos betegséghez, az amiotrófiás laterálszklerózishoz (ALS), megzavarhatják az endoplazmatikus retikulum és a mitokondriumok kapcsolatát.

Ez megváltoztathatja ezeknek az „erőműveknek” a működését, és segíthet megmagyarázni az ALS kialakulását. „Csak azt tanuljuk, hogy ezek a különféle genetikai mutációk, amelyek e betegségek némelyikének alapjául szolgálnak, valójában mit tesznek a sejtek biológiai szintjén” – mondta el akkor.

Pillantás az emberi DNS-be

A tudósok a sejtmagba is belenéztek, és tanulmányozták a benne lévő DNS-t, azt az emberi DNS-t, melyet, ha egyetlen sejtből eltávolítanának és kinyújtanának, körülbelül két méter hosszt is kitenne. A sejtmag belsejébe történő becsomagoláshoz a hisztonoknak nevezett fehérjék köré kell tekerednie, kromatin néven ismert gyöngysor-kombinációt hozva létre. A kromatin tovább hurkolódik és csavarodik, hogy végül kialakítsa kromoszómáinkat.

Schermelleh szerint a kromatin hurkokat és csomókat vagy doméneket csak szuperfelbontású mikroszkóppal lehet részletesen tanulmányozni, például a DNS-szegmenseinek fluoreszcens jelölőkkel történő megjelölésével.

A szakember azt tanulmányozta, hogy az anyag miként rendeződik 3D-ben emlőssejtekben. „A méretskála éppen a diffrakciós határ alatt van, így korábban nem lehetett értékelni” – tette hozzá.

Lakadamyali kutatása feltárta például, hogy a gyöngyök DNS-hiszton húrjai sokkal változatosabb struktúrákba szerveződnek, mint azt a tudósok feltételezték, azaz a DNS egyes régiói szorosabban vannak csomagolva, mint mások. Ez a csomagolás határozza meg, hogy a DNS egy adott régiója mennyire hozzáférhető.

Ez fontos, mert a test különböző sejtjei, mondjuk a szívben található sejtek vagy az idegsejtek, csak génjeik egy meghatározott részhalmazát használják. Az általuk használtak lazább, könnyebben hozzáférhető állapotban maradnak, míg a tompítottak szorosan vannak csomagolva.

2015-ben Lakadamyali megállapította, hogy az embrionális őssejtek, amelyek bármilyen sejttípussá alakulhatnak, nagyon laza kromatin szerkezettel rendelkeznek, összehasonlítva a speciálisabb sejtekkel, amelyekben elnémítottak azok a gének, amelyekre nincs szükségük. „A kromatin térbeli szerveződése alapján valóban meghatározhatjuk, hogy egy sejt őssejt vagy differenciált sejt” – állítja Lakadamyali, a szuperfelbontási technikák 2023-as áttekintésének társszerzője.

A rákterápiák javítása

A tudósok a betegség által érintett sejteket is vizsgálják. Például Markus Sauer, a németországi Würzburgi Egyetem biofizikusa bizonyos receptorfehérjéket tanulmányoz a rákos sejtek felületén, amelyeket célpontként használnak a rákölő terápiákban. A leukémia vagy vérrák esetében például a tudósok genetikailag módosított immunsejteket fejlesztettek ki, hogy megtalálják és elpusztítsák a rákos sejteket, amelyek specifikus felszíni fehérjékkel rendelkeznek.

<!– [if IE 9]><![endif]–>

Egérsejtmagok szuperfelbontású mikroszkóp alatt.

Forrás: Wikimedia Commons / Lothar Schermelleh / CC BY-SA 3.0

Sauer szerint ugyanakkor a rákos sejtek fehérjéinek elemzésére és a betegek hatékony terápiákkal való párosítására általánosan használt technikák nem adnak teljes képet. Ezt még 2015-ben illusztrálták, amikor az orvosok felfedezték, hogy sikeresen kezelhetik a vérrákos mielóma multiplexben szenvedő betegeket olyan terápiákkal, amelyek a CD19 nevű receptort célozzák meg – annak ellenére, hogy a CD19-et nem észlelték a mielóma multiplex rákos sejteken szabványos módszerekkel.

Sauer és munkatársai 2019-ben azt találták, hogy a CD19 fehérjék jól láthatóak szuperfelbontású mikroszkóppal. Megállapították, hogy az immunterápiák gyilkos munkájuk elvégzéséhez mindössze tíz CD19 fehérjére van szükség a rákos sejtek felszínén lévő több száz vagy ezer más fehérje között.

Sauer úgy véli, ezeket a mikroszkópos technikákat fel lehet használni arra, hogy a betegeket jobban hozzáigazítsák a hatékony terápiákhoz. Újabb kutatásai új receptorfehérjét azonosítottak a terápiák számára, és segítettek tisztázni a daganatok elpusztításának pontos folyamatát – olyan ismereteket, amelyek segíthetnek javítani az immunterápiák hatékonyságát. „Ezeket a folyamatokat molekuláris szinten kell vizualizálni” – mondta.

Vírusos inváziók monitorozása

A vírusok által az emberi sejtek megfertőzésére és szaporodására használt ravasz trükköket is vizsgálják. Ennek a dinamikájának megértése segíthet a tudósoknak új vírusellenes gyógyszerek kifejlesztésében – fejti ki Christian Sieben, a németországi Helmholtz Fertőzéskutató Központ virológusa.

2025 elején Sieben arról számolt be, hogy az influenza A vírus hogyan fertőzi meg az emberi sejteket. A vírusos és emberi fehérjék jelölése által ő és kollégái megfigyelték, hogy a vírus először a sejtfelszínen lévő egyetlen receptor fehérjére tapad.

A vírus ezután megvárta, amíg a sejt membránjában mozgó más receptorfehérjék felhalmozódnak a közelben. Csak akkor tudott bejutni a sejtbe, ha a vírus több receptorhoz kapcsolódott.

2024-ben a Stanford Egyetem tudóscsoportja vizsgálta meg, hogyan „szaporodik” a Covid-19-et okozó vírus az emberi sejtekben. Leonid Andronov biofizikus és munkatársai fluoreszcens jelöléseket használtak a genetikai anyag megjelölésére, és azt találták, hogy a SARS-CoV-2 kettős membránnal burkot képez, amelyben lemásolja genetikai anyagát. Ez valószínűleg megakadályozza a sejt általi pusztulást.

Mivel egyre több tudós használ szuperfelbontású mikroszkópiát a sejtek belsejében zajló események megvilágítására, vajon mennyivel több részletre számíthatnak. Lakadamyali szerint az olyan finomítások, mint a kisebb fluoreszcens szondák létrehozása – hogy egyetlen fehérje mentén több helyet is meg lehessen jelölni – tovább növelhetik a felbontást.

Talán egy napon a szuperfelbontás fejlődése vetekszik az elektronmikroszkópiával.

Végül is alig két évtizeddel ezelőtt még „nem tudtuk, hogy átléphetjük a diffrakciós határt” – vélekedik a kutató.