2018. január – NAP 1.0 különszám: Nemzeti Agykutatási Program
2018. január – NAP 1.0 különszám: Nemzeti Agykutatási Program

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

Innotéka