Kakukktojás? – szegedi fizikus a NAP-ban

Mi a szerepe a Nemzeti Agykutatási Programban egy fizikusnak? – kérdeztük Erdélyi Miklóstól. A Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének docense a kérdésre a kutatócsoportja által fejlesztett mikroszkóprendszer és a körü­lötte kialakult mérési és oktatási centrum bemutatásával válaszolt.


A Nemzeti Agykutatási Programhoz (NAP) kötődő kutatások számos esetben molekuláris szintű megfigyeléseket igényelnek. A molekulák időbeli vagy térbeli helyzetének a követéséhez összetett mikroszkópok és különleges eljárások szükségesek. Erdélyi Miklós, a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének docense nagy térbeli felbontású, szuperrezolúciós, azaz: nanométeres struktúrák leképezésére alkalmas fénymikroszkóp továbbfejlesztésén dolgozik. A szegedi egyetem munkatársa korábban Cambridge-ben és Londonban is épített már hasonló rendszert. Az angliai tanulmányút során szerzett tapasztalataival és újabb ötletekkel szeretné továbbfejleszteni azt a kombinált konfokális és EPI fluoreszcencia-mikroszkópot, amely három éve érkezett az SZTE laboratóriumába.

A mikroszkóprendszer pontátviteli függvényének irányított torzításából a fluoreszcens molekula axiális pozíciójára lehet következtetni.

„A 2014-es kémiai Nobel-díjjal elismert két módszer közül az egyik, a nagyobb térbeli felbontású, vagyis az úgynevezett lokalizációs technikai eljárást fejlesztjük tovább” – magyarázta az SZTE kutatója, aki a szegedi egyetemre a NAP támogatásával vásárolt konfokális fluoreszcens fénymikroszkóp hardveres és szoftveres fejlesztésére vállalkozott. Így lett az alapberendezésből szuper­rezolúciós mikroszkóprendszer, amelyet folyamatosan továbbfejlesztenek, egyre többet mérnek vele, és az egyetemi oktatásba is bekapcsolják.

Divatos módszer

„A fizikus más szemszögből tekint a mikroszkópja alá tett mintára, mint egy biológus. Éppen ezért a közös munkát mi egy laborlátogatásra szóló meghívással kezdjük. Ilyenkor bemutatjuk, milyen feladatok elvégzésére képes a berendezésünk. Ekkor kiderülhet, hogy a biológus által fölvetett probléma megvizsgálásához valóban szuper­rezolúciós mikroszkóppal elvégezhető eljárásra van-e szükség” – ismertette a közös munkához vezető első lépést Erdélyi Miklós.

Miért „divatos” kutatói körökben a szuperrezolúciós eljárás? Az optikai mikroszkópok térbeli felbontását a fény hullámhossza limitálja. Ez a látható tartományban 350–400 nanométert jelent. Ám ennél jóval kisebb skálán mozognak a molekuláris folyamatok. Ezek megfigyelésére szükséges egy olyan technika, amelynek a hagyományos mikroszkópokénál jobb a térbeli feloldása, miközben a mintát nem roncsolja – tudtuk meg a szakembertől. Lehetne használni elektronmikroszkópot, ám ott a mintát vákuumba kell helyezni. A minta előkészítésekor a vizsgált minta struktúrája megváltozhat. Ezért részesítik előnyben az optikai módszereket a molekuláris folyamatokra kíváncsi kutatók.

Kombinált konfokális és dSTORM szuperrezolúciós mikroszkóprendszer a Szegedi Tudomány­egyetemen.

„Azok a kutatók, akik fluoreszcens konfokális mikroszkópot használnak, viszonylag könnyedén térhetnek át a szuperrezolúciós mikroszkóp alkalmazására, mert a festési protokollt lényegében változatlanul – vagy minimális optimalizálás után – lehet alkalmazni. Az így kapott, egy nagyságrenddel nagyobb feloldású kép segítségével könnyebben kaphatnak választ a kérdéseikre. Az ebbe az irányba tett lépés kisebb befektetéssel jár, mintha elektronmikroszkóppal szeretné folytatni a vizsgálódást” – magyarázta a szegedi fizikus. A mikroszkóp lehetőségeit ismertető laborlátogatás utáni próbamérések célja az optimalizálás, például a festéksűrűség beállítása.

Folyamatos a fejlesztés

A fejlesztések irányát a rendszer modalitásainak növelése jelenti, vagyis az, hogy a detektált fotonokból a lehető legtöbb információt lehessen kiolvasni az azokat kibocsátó festékmolekuláról. Egy hagyományos szuperrezolúciós mikroszkóp laterális, térbeli fel­oldása egy nagyságrenddel jobb, mint az optikai feloldás. A lokalizációs fluoreszcens mikroszkóp működési elve megkívánja, hogy a mintában a „target molekulákat” specifikusan jelöljék meg, majd gerjesztéssel elérik, hogy ezek a molekulák önállóan „villanjanak föl”, azaz időben szétválasztják az aktív fázisaikat. A mikroszkóppal készített filmfelvételen villogó molekulák képeit látjuk. Minden egyes felvillanás egy-egy molekulának a „lábnyoma”. Ennek alapján képesek meghatározni a fizikusok a „felvillanás” középpontját, ami megadja az adott molekula pozícióját.

„Egy molekula képe a rendszer pontátviteli függvényét adja. Ám ezekben a fotonokban ennél sokkal több információ van” – jelen­tette ki a kutató. Erdélyi Miklós és a köré szerveződő kutató­csoport az algoritmus, illetve hardver- és szoftverfejlesztésekkel bővíti az alapmikroszkópjukban rejlő lehetőségeket. Első példának említette az orientációt. „A polarizációérzékeny detektálásból a dipólok rendezettségére is következtethetünk – mondta. – Vagy: a tipikus 10–30 milliszekundumos expozíciós idő alatt ezek a molekulák el is foroghatnak, azaz lokális viszkozitást is lehetne mérni. A harmadik fejlesztési irányunk kiindulópontja, hogy a molekula fluoreszcencia tulajdonságait befolyásolja a lokális környezet. Például az, hogy mennyire van közel egy másik fluoreszcens molekulához. Ezáltal e két molekula közötti energiatranszfer (FRET) nagyságát is mérni tudjuk. Így például kideríthető, hogy mondjuk két jelölt molekula összekapcsolódott-e, dimert formál-e.”

A biológusok és orvosok által kiemelt minták vizsgálata, az SZTE-laborban rendelkezésre álló mikroszkópiai módszer alkalmazása informatikusok, vegyészek és fizikusok együttműködését igényli.

dSTORM szuper­rezolúciós mikroszkópban használt optikai elrendezés (gerjesztési oldal) egy részlete.

„Hogy mi a jövő? – kérdezett vissza Erdélyi Miklós. – A válasz­hoz a módszerünk jelenlegi korlátait kell ismernünk. Mert tény: a mi közreműködésünkkel elvégzett, fixált állapotú, azaz nem élősejtes vizsgálatokat nem a gyorsaságukért kedvelik. Hátrányunk az idő­felbontás, vagyis ez a technika lassú az élősejtes vizsgálati igényekhez. Ezért az egyik kitörési irány, ha a szuperfelbontású mikroszkópot kombináljuk a fluoreszcencia-élettartam (FLIM) mérés technikával, és korrelált méréseket végzünk.”

Mérési és oktatási centrum

A szegedi egyetem mikroszkópjának fejlesztői egyetlen berende­zést tettek alkalmassá többféle vizsgálat elvégzésére. Egyetlen mintát meg tudnak nézni például konfokálisan, szuperrezolúció­val, azon belül, mondjuk, polarizációérzékenyen (anizotrópia) vagy éppen három dimenzióban. A közeljövőben mindehhez hozzá kívánják tenni a fluoreszcencia-élettartamot. Az egyetem különleges mikroszkópja ugyanis egyre többet dolgozik. A vizsgált minták típusai az agyi szövetektől kezdve a sejtkultúrákon át az in vitro struktúrákig terjednek. Előfordult már, hogy egy-egy időszakban párhuzamosan öt-hat kutatócsoporttal is együttműködtek az SZTE mikroszkópos mérési centrumának munkatársai.

Mikrotubulusok hagyományos fluoreszcenciás (szürke) és dSTORM szuperrezolúciós (színes) képe.

„A képek felvételével nem ér véget a szerepünk. A vizsgálat során keletkezett számadatok értékelésében és értelmezésében is részt veszünk – hangsúlyozta a fizikus. – Az ilyen visszacsatolás után következhet az újabb mérés vagy éppen az eredmény közös publikálása.”

Az oktatásban is szerepet vállal a Szegedi Tudományegyetemen Erdélyi Miklós és az egyetemi hallgatókból, doktoranduszokból álló kutatócsoportja révén kifejlesztett mikroszkópiás központ.•

2017. december

 


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021
Címkék

Innotéka