تتكون الحياة كلها من خلايا أصغر بعدة مقادير من حبة ملح؛ حيث تخفي هياكلها التي تبدو بسيطة المظهر النشاط الجزيئي المعقد الذي يمكّنها من تنفيذ الوظائف التي تحافظ على الحياة. وقد بدأ الباحثون في تصوّر هذا النشاط إلى مستوى من التفاصيل لم يكونوا قادرين عليه من قبل. إذ يمكن تصّور الهياكل البيولوجية إما من خلال البدء على مستوى الكائن الحي بأكمله والعمل لأسفل، أو البدء على مستوى الذرات المفردة والعمل. ومع ذلك، كانت هناك فجوة في الدقة بين الهياكل الأصغر للخلية، مثل الهيكل الخلوي الذي يدعم شكل الخلية، وأكبر هياكلها مثل الريبوسومات التي تصنع البروتينات في الخلايا.
وبالقياس على خرائط غوغل؛ فبينما كان العلماء قادرين على رؤية مدن ومنازل فردية بأكملها، لم يكن لديهم الأدوات اللازمة لمعرفة كيف اجتمعت المنازل لتشكيل أحياء.
وتعتبر رؤية هذه التفاصيل على مستوى الحي أمرًا ضروريًا للقدرة على فهم كيفية عمل المكونات الفردية معًا في بيئة الخلية.
أما الأدوات الجديدة فتعمل على سد هذه الفجوة بشكل مطرد. وان التطوير المستمر لتقنية معينة (التصوير المقطعي بالإلكترون بالتبريد أو cryo-ET) فلديه القدرة على تعميق كيفية دراسة الباحثين وفهمهم لكيفية عمل الخلايا في الصحة والمرض، وذلك وفق ما أفاد جيريمي بيرج أستاذ علم الأحياء والأنظمة الحاسوبية نائب رئيس أول مشارك لاستراتيجية العلوم والتخطيط بجامعة بيتسبرغ رئيس التحرير السابق لمجلة العلوم الباحث الدارس لهياكل بروتينية كبيرة يصعب تصورها لعقود من الزمن، الذي أكد «أننا نشهد تقدمًا مذهلاً في تطوير الأدوات التي يمكنها تحديد الهياكل البيولوجية بالتفصيل. فمثلما يصبح من الأسهل فهم كيفية عمل الأنظمة المعقدة عندما تعرف كيف تبدو، فإن فهم كيفية ملاءمة الهياكل البيولوجية معًا في الخلية هو المفتاح لفهم كيفية عمل الكائنات الحية»، وذلك وفق ما نشر موقع «ساينس إليرت» العلمي المتخصص، نقلا عن The Conversation.
تاريخ موجز للفحص المجهري
في القرن السابع عشر الميلادي، كشف الفحص المجهري الضوئي لأول مرة عن وجود الخلايا. وفي القرن العشرين، قدم الفحص المجهري الإلكتروني مزيدًا من التفاصيل وكشف عن الهياكل المعقدة داخل الخلايا، بما في ذلك العضيات مثل الشبكة الإندوبلازمية؛ وهي شبكة معقدة من الأغشية التي تلعب أدوارًا رئيسية في تخليق البروتين ونقله.
ومن الأربعينيات إلى الستينيات من القرن الماضي، عمل علماء الكيمياء الحيوية على فصل الخلايا إلى مكوناتها الجزيئية وتعلّم كيفية تحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى عند الدقة الذرية أو بالقرب منها. وتم إجراء ذلك لأول مرة باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية لتصور بنية الميوغلوبين، وهو بروتين يمد العضلات بالأكسجين.
وعلى مدى العقد الماضي، أدت التقنيات القائمة على الرنين المغناطيسي النووي، والتي تنتج صورًا بناءً على كيفية تفاعل الذرات في المجال المغناطيسي، والمجهر الإلكتروني بالتبريد إلى زيادة عدد وتعقيد الهياكل التي يمكن للعلماء تصورها.
ما هو جهاز «cryo-EM» و «cryo-ET»؟
يستخدم المجهر الإلكتروني المبرد، أو (cryo-EM) كاميرا لاكتشاف كيفية انحراف حزمة من الإلكترونات أثناء مرور الإلكترونات عبر عينة لتصور الهياكل على المستوى الجزيئي.
ويتم تجميد العينات بسرعة لحمايتها من التلف الإشعاعي. كما يتم عمل نماذج مفصلة لهيكل الاهتمام عن طريق التقاط صور متعددة للجزيئات الفردية وتوسيطها في بنية ثلاثية الأبعاد.
وفي هذا الاطار، تشترك Cryo-ET في مكونات مماثلة مع cryo-EM ولكنها تستخدم طرقًا مختلفة. ونظرًا لأن معظم الخلايا سميكة جدًا بحيث لا يمكن تصويرها بوضوح، يتم أولاً إضعاف منطقة الاهتمام في الخلية باستخدام حزمة أيونية. ثم تتم إمالة العينة لالتقاط صور متعددة لها بزوايا مختلفة، على غرار التصوير المقطعي المحوسب لجزء من الجسم (على الرغم من أن نظام التصوير نفسه في هذه الحالة مائل) بدلاً من المريض. ويتم بعد ذلك دمج هذه الصور بواسطة جهاز كمبيوتر لإنتاج صورة ثلاثية الأبعاد لجزء من الخلية.
دقة هذه الصورة عالية بما يكفي بحيث يمكن للباحثين (أو برامج الكمبيوتر) تحديد المكونات الفردية للهياكل المختلفة في الخلية. حيث استخدم الباحثون هذا النهج، على سبيل المثال، لإظهار كيف تتحرك البروتينات وتتحلل داخل خلية طحلبية.
غير أن العديد من الخطوات التي كان على الباحثين القيام بها يدويًا لتحديد هياكل الخلايا أصبحت آلية، ما يسمح للعلماء بتحديد الهياكل الجديدة بسرعات أعلى بكثير؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الجمع بين cryo-EM مع برامج الذكاء الصناعي مثل AlphaFold إلى تسهيل تفسير الصور من خلال التنبؤ بهياكل البروتين التي لم يتم تمييزها بعد.
فهم بنية الخلية ووظيفتها
مع تحسن طرق التصوير وسير العمل، سيتمكن الباحثون من معالجة بعض الأسئلة الرئيسية في بيولوجيا الخلية باستراتيجيات مختلفة.
وتمثل الخطوة الأولى في تحديد الخلايا والأماكن المراد دراستها داخل تلك الخلايا تقنية أخرى للتصوّر تسمى «الضوء المترابط والمجهر الإلكتروني» أو (CLEM) تستخدم علامات الفلورسنت للمساعدة في تحديد المناطق التي تحدث فيها عمليات مثيرة للاهتمام في الخلايا الحية. إذ يمكن أن توفر مقارنة الاختلاف الجيني بين الخلايا رؤية إضافية. كما يمكن للعلماء النظر إلى الخلايا غير القادرة على أداء وظائف معينة ورؤية كيف ينعكس ذلك في بنيتها. كذلك قد يساعد هذا النهج الباحثين أيضًا في دراسة كيفية تفاعل الخلايا مع بعضها البعض.
ومن المرجح أن تظل Cryo-ET أداة متخصصة لبعض الوقت. لكن المزيد من التطورات التكنولوجية وإمكانية الوصول المتزايدة ستسمح للمجتمع العلمي بفحص الرابط بين البنية الخلوية والوظيفة عند مستويات التفاصيل التي كان يتعذر الوصول إليها سابقًا.
وحسب جيريمي«أتوقع رؤية نظريات جديدة حول كيفية فهمنا للخلايا، والانتقال من أكياس غير منظمة من الجزيئات إلى أنظمة ديناميكية منظمة بشكل معقد».
