ضوء في النسيج الداكن: بروتينات قابلة للتبديل للتصوير الطبي الحيوي – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

A light in the dark tissue: Switchable proteins for biomedical imaging
 (Helmholtz Association of German Research Centres – مقدمة من جمعية هلمهولتز لمراكز البحوث الألمانية)

يقود الدكتور أندريه سي. ستيل مجموعة هندسة الخلايا في معهد التصوير الحيوي والطبي في هلمهولتز ميونيخ (عضو في جمعية هلمهولتز لمراكز البحوث الألمانية). وقد ساهم في الورقة العلمية “أجهزة الاستشعار الجزيئية القابلة للتبديل الضوئي المشفرة وراثيا للتصوير البصري والفائق الدقة” المنشورة في “التقنية الحيوية للطبيعة” (Nature Biotechnology) ، وأوضح أهميتها في مقابلة أجريت معه مؤخرا.

وعندما سُئل كيف تساعد البروتينات في التصوير الطبي الحيوي، أجاب أن البروتينات هي جزيئات مصنوعة من الأحماض الأمينية، وللبروتينات في أجسامنا وفي جميع أشكال الحياة العديد من الوظائف – على سبيل المثال فهي الآلية التي تسمح للخلايا بتوليد الطاقة أو تلقي المعلومات.

وتابع: “في التصوير، يمكننا استخدام البروتينات التي تولد إشارات، على سبيل المثال الضوء، لمراقبة ما يحدث داخل الكائن الحي. وتتمتع البروتينات بميزة أنها مشفرة وراثيا، ويمكن أن تصبح مكونا من مكونات الخلية أو الكائن الحي – على النقيض من الصبغة التي تحتاج إلى إضافتها من الخارج، على سبيل المثال. وفي التصوير، يمكننا استخدام هذا لشيء نسميه وضع العلامات.

وتفتح العلامات إمكانيات مثيرة لتتبع الخلايا في حالات مختلفة على مدى فترة طويلة من الزمن ودون الحاجة إلى التدخل أو إتلاف الأنسجة الحية. وهذا يسمح لنا، على سبيل المثال، بدراسة مرض أو علاج بطريقة طبيعية نسبيا وبالتالي فهم الأمراض بشكل أفضل”.

وفي معرض اجابته عن سر البروتينات القابلة للتحويل التي يقوم بهندستها، أوضح ستيل أنه يمكن للبروتينات ذات العلامات القابلة للتبديل تغيير حالتها، في حالتنا الإشارة التي نقرأها، عند الإضاءة بألوان مختلفة من الضوء.  وأضاف: “تعمل الآلية الجزيئية مثل مفتاح صغير يغير حالة البروتين من التشغيل إلى الإيقاف ومع ذلك الإشارة التي يولدها. وفي الطبيعة، غالبا ما تكون هذه البروتينات مسؤولة عن الاستجابات التي تعتمد على الضوء – على سبيل المثال النباتات الموجهة نحو الضوء”.

وأوضح أنه يستخدم البروتينات القابلة للتبديل بطريقة تسمى التصوير البصري الصوتي – حيث يتم إجراء أبحاث رائدة على مستوى العالم في هلمهولتز ميونيخ من قبل فاسيليس نتزياكريستوس. وهي طريقة تصوير تعتمد على قراءة إشارة الموجات فوق الصوتية الناتجة عن الضوء.

ويتمتع التصوير البصري الصوتي بالفعل بالقدرة على تقديم مزيج من عمق الاختراق العالي ودقة أعلى ومجالات رؤية أكبر من تقنيات التصوير الأخرى. ومع ذلك، بالنسبة للعديد من الأسئلة البحثية، تحتاج الصوتيات البصرية إلى أدوات مثل المراسلين وأجهزة الاستشعار المشفرة وراثيا. ويمكن هنا أن تساعد البروتينات ذات العلامات القابلة للتبديل الضوئي.

وأشار الى أن الإشارة القابلة للتبديل بالضوء تمكنه من تصور أعداد صغيرة من الخلايا على خلفية قوية من الإشارات الأخرى عن طريق جعل العلامة تومض. وأنه يمكن تخيلها كمنارة في ليلة مظلمة عاصفة في البحر. وأن القدرة على تصور عدد قليل من الخلايا في الكائن الحي أمر مهم لأن العديد من الظواهر الحيوية، وخاصة في الجهاز المناعي، تعتمد على عدد قليل من الخلايا.

وكان هدف ستيل هو تتبع الخلايا ذات العلامة الواحدة في يوم من الأيام في كائن حي وتصور وظيفتها – لتحسين معرفتنا، على سبيل المثال، حول الجهاز المناعي أو حول تطور الورم.

وعن التحدي التالي الذي يواجهه، قال ستيل: “تحدثنا عن تصور الخلايا. ومع ذلك، تستضيف الخلايا نفسها مكونات أصغر من الحياة: الجزيئات والأيونات الصغيرة. وغالبا ما تحقق هذه الجزيئات أغراضا مخصصة للغاية مثل الاتصال، أو تعمل كمصادر للمغذيات أو لَبِنَات بناء للمكونات الخلوية الأخرى، وبالتالي يجب تنظيمها بإحكام حتى تعمل الخلية بشكل صحيح. وفهم هذا التنظيم أمر ضروري لفهم الحياة والأمراض”.

وأضاف: “من أجل تصور الجزيئات الصغيرة أو الأيونات، لا نستخدم العلامات ولكن أجهزة الاستشعار. ويمكن تصور المستشعرات مثل العلامات المرئية فقط إذا كان الجزيء المقصود موجودا – وبالتالي، فإن هذا يسمح لنا بتصور الجزيئات داخل الخلية”.

وفي دراسته الأخيرة، طبق ستيل مفهوم التبديل الضوئي الخاص به على أجهزة الاستشعار. وأظهر أن مستشعرات التبديل الضوئي تعمل من أجل البصريات الصوتية وكذلك للحصول على دقة فائقة. وفي الواقع، لا يقتصر تطبيق البروتينات القابلة للتبديل على الصوتيات البصرية ولكنها أيضا أدوات مهمة في الفحص المجهري فائق الدقة.

وقد طور مفهوما وأول نموذج أولي – مع إمكانية المزيد من التحسين. وتمكن من خلال العمل مع ديرك نيسينغ من هيلمهولتز ميونيخ من تعلم تفاصيل الآلية الجزيئية. وبالتعاون مع مجموعة من المعهد الملكي للتقنية (Kungliga Tekniska högskolan KTH) في السويد وعلى رأسهم الأستاذة المشاركة ايلاريا تيستا (Ilaria Testa)، تم صنع أول صور فائقة الدقة باستخدام هذا المفهوم.

وذكر ستيل أن أجهزة الاستشعار في النهاية ستسمح أيضا بتصور توزيعات الجزيئات أو الأيونات الصغيرة بدقة نانومتر. أما بالنسبة للصوتيات البصرية، فإن هدفه هو استخدامها لمتابعة جزيئات صغيرة في حيوان حي كامل – وهذا هو التحدي للسنوات الخمس المقبلة.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-12-dark-tissue-switchable-proteins-biomedical.html

لمزيد من المعلومات: كانوج ميشرا وآخرون، Genetically encoded photo-switchable molecular sensors for optoacoustic and super-resolution imaging, Nature Biotechnology (2021).  DOI: 10.1038/s41587-021-01100-5