גוף האדם מורכב מטריליוני תאים חיים. לכל תא יש תפקיד מוגדר וכולם עובדים בתיאום כדי לתחזק את מערכות הגוף שלנו. איך הם עושים את זה? כימאים, ביולוגים ומיקרוביולוגים רבים מנסים לענות על שאלה זאת כבר עשרות שנים. לשם כך עליהם לבודד תאים יחידים ולהתבונן בנעשה בהם באמצעות מיקרוסקופים. שלושת הזוכים בפרס נובל בכימיה לשנת 2014 המציאו שיטות פורצות דרך להתבונן במרכיבי תאים חיים בגודל של עשרות ננומטרים בלבד.
מיקרוסקופ האור הראשון נוצר בשנת 1590 בהולנד. באמצע המאה ה-17 המדען ההולנדי אנטון ון-לוונהוק כבר שכלל אותו מספיק כדי ליצור מיקרוסקופ שאפשר לו לראות פרטים בגודל של מיקרומטר אחד (מיליונית המטר) ולצפות באמצעותו בחיידקים וביצורים זעירים אחרים. בניגוד להמצאות שימושיות אחרות, במאות שנים הבאות המיקרוסקופים לא השתנו בהרבה. הסיבה היא שהייתה מגבלה פיזית לגודל הרזולוציה שאפשר להשיג במיקרוסקופים הללו.
המיקרוסקופ הפלורוסנטי
פרופ' אריק בטזיג ופרופ' ויליאם מורנר מארה"ב ופרופ' סטפן הל מגרמניה זכו בפרס נובל על פיתוח המיקרוסקופ הפלורוסנטי, שפתר את המגבלה המשמעותית הזאת. ההמצאה פורצת הדרך שלהם אפשרה לראשונה לשבור את גבולות הרזולוציה האופטית בשיטה לא הרסנית שמאפשרת לחקור אורגניזמים חיים. כיום כימאים, מיקרוביולוגים וביולוגים בכל רחבי העולם משתמשים במיקרוסקופים פלורוסנטיים באופן יומיומי.
ב-1873 גילה הפיסיקאי הגרמני ארנסט אבה שיש גבול תחתון לגודל העצמים שאפשר לראות במיקרוסקופ האור, ושמעבר לכך לא יעזור כמה נלטש את העדשות או כמה חדה ראייתו של המתבונן.
הסיבה למגבלה הזאת היא שהמיקרוסקופ קולט קרני אור שפוגעות בעצם כלשהו (למשל חיידק) ועוברות דרך העדשה שלו לתוך עינינו. האור שאנו רואים הוא גל, ולכל צבע אור יש אורך גל אופייני. עין אנושית ממוצעת רואה אור בתחום של 750-390 ננומטרים (תחום האור הנראה), ולפי חוק "גבול אבה" העצם הקטן ביותר שאפשר להבחין במיקרוסקופ אור אינו יכול להיות גדול יותר ממחצית אורך הגל של האור הנראה. כלומר איננו יכולים לראות פרטים קטנים יותר מ-200 ננומטר בערך.
פריצת הדרך הראשונה בתחום הגיעה בשנת 1933 בדמות מיקרוסקופ האלקטרונים, שהשתמש בקרן של אלקטרונים במקום באור וכך אפשר לצלם גופים ברזולוציה של אנגסטרמים בודדים (אחד חלקי עשרה מיליארד של מטר), כלומר קטן יותר פי 2,000 מאשר מיקרוסקופ אור. ההמצאה הייתה מהפכנית אך היה בה חיסרון משמעותי: כדי לצפות בתאים במיקרוסקופ אלקטרונים היה צורך בתהליכים שהשמידו אותם. נדרשה פריצת דרך מדעית נוספת כדי לפתור את הבעיה.
זוכי פרס נובל בכימיה לשנת 2014. מימין לשמאל: ויליאם מורנר, סטפן הל ואריק בטזיג | תמונות: ויקיפדיה ומכון הווארד יוז למחקר רפואי
המיקרוסקופ הפלורוסנטי הוא מיקרוסקופ אופטי שמשתמש במולקולות פלורוסנטיות (מולקולות פולטות אור). פלורוסנציה מתרחשת בדרך כלל כשאלקטרונים במולקולה קולטים אור, שגורם להם להיות באנרגיה גבוהה יותר. אחרי פרק זמן אופייני האלקטרונים פולטים את האנרגיה העודפת שלהם באמצעות פוטונים (חלקיקים נושאי אור). פליטת האור הזו נקראת פלורוסנציה.
יש כמה מיקרוסקופים שמשתמשים באפקט הזה כדי לצפות בעצמים קטנים יותר מאלה שאפשר לראות במיקרוסקופי אור רגילים:
את המיקרוסקופ STED (ראשי תיבות של Stimulated Emission Depletion) פיתח בשנת 1999 פרופ' סטפן הל ממכון מקס פלנק בגרמניה. הוא מבוסס על שתי קרני לייזר ממוקדות שהראשונה שבהן יוצרת פלורוסנציה, כלומר גורמת למולקולות באזור שבו היא פוגעת לפלוט אור, והשנייה מונעת את תהליך הפלורוסנציה בכל השטח שבו פגעה הקרן הראשונה פרט לאזור עגול וקטן במרכז. כך אפשר לגרום לאזורים קטנים לזהור.
את האור הנפלט קולטים באמצעות גלאי המיקרוסקופ. קרני הלייזר סורקות את התא ננומטר אחר ננומטר, וכשמחברים את כל הסריקות יכולים לקבל תמונה שלמה של וירוס או חלבון בתא ברזולוציה גבוהה הרבה יותר מזו של מיקרוסקופ אור רגיל.
המחשה של תאורת הלייזרים. משמאל לימין: הלייזר הראשון יוצר עיגול של פלורוסנציה. הלייזר השני מבטל אותה מסביב, ונותר אזור פלורוסנטי קטן | תמונה: ויקיפדיה
מיקרוסקופיה של מולקולה בודדת – את השיטה פיתחו במקביל ובאופן בלתי תלוי ויליאם מורנר ואריק בטזיג מארה"ב בשנת 2006. השיטה הזו מתבססת הדלקה של הפלורוסנציה של מולקולות. מורנר גילה שחלבון מסוים (שקרוי "חלבון פלורוסנטי ירוק") זוהר כשמאירים אותו באור באורך גל של 488 ננומטר, ומפסיק לזהור כשמאירים עליו שנית. לאחר מכן, אם מאירים עליו שוב, הפעם באור באורך גל של 405 ננומטר, הוא שוב "נדלק". הבסיס לפעולת המיקרוסקופ הוא ניצול היכולת של החלבונים הללו להידלק ולכבות.
קיימים הרבה סוגים של חלבונים שפולטים אור באורכי גל שונים. החלבונים האלה יודעים להקשר למולקולות שונות, כך שכשרוצים לחקור אובייקט, כגון תא, וירוס וכו', "מטפלים" בו בכמה חלבונים פלורוסנטיים שנקשרים לכמה מבנים מולקולריים באובייקט.
כעת, כל פעם, "מדליקים" סוג אחר של חלבונים ומצלמים ולאחר מכן "מכבים" אותם. בכל צילום, כל חלבון נראה ככתם אור שגודלו נקבע על פי אורך הגל של האור, אך כשעוצמת האור גבוהה מספיק אפשר למצוא בדיוק רב איפה נמצא מרכז הכתם וכך לזהות את מיקום המולקולה המסומנת. כשמעבדים את הצילומים יחד אפשר לזהות איפה נמצאת כל מולקולה שאליה נקשר חלבון, בדיוק גבוה יותר מהרזולוציה של האור הנראה, וליצור תמונה כוללת של האובייקט.
|
מימין: צילום של מולקולות בודדות. משמאל: סרטוט סכמטי של יצירת התמונה הכוללת | תרשים: ויקיפדיה
המצאת המיקרוסקופ הפלורוסנטי יצרה תחום חדש של ננו-סקופיה (צפייה בגדלים קטנים במיוחד) שמדענים נעזרים בו במגוון תחומים ושחיוני למחקרים רבים. שבירת המחסום האופטי הייתה מהפכה ממשית בתחום המיקרוסקופיה ובזכותה אין לנו כעת כמעט מגבלה פיזית על ממדי העצם שאנחנו יכולים לחקור.
אנה גריבנין
דוקטורנטית, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
