Fedezd fel a mikroszkópok varázslatos világát, ahol egy új dimenzió bontakozik ki előttünk! A National Geographic bemutatja, hogyan tárulnak fel a legapróbb részletek, és hogyan változtatják meg ezek a felfedezések a tudományos megértésünket. A mikroszkóp

A szuperfelbontású fénymikroszkópos technikák forradalmat hoznak a kutatásokban.

A 17. században élt holland zoológus, Antonie van Leeuwenhoek, aki a mikroszkóp úttörőjeként vált ismertté, volt az első, aki részletesen dokumentálta a vörösvértestek és spermiumok jelenlétét az emberi szövetekben. Ő volt az, aki először merült el a mikroszkopikus világban, és felfedezte az "állatkákat" – a baktériumokat és protisztákat – egy tó vizének mélyén. Az ő munkáját követően egyre kifinomultabb fénymikroszkópok jelentek meg, amelyek lehetővé tették a sejtszervecskék, mint például a sejtmag és az energiatermelő mitokondriumok részletesebb tanulmányozását.

1873-ra a tudósok rájöttek, hogy a részletesség szintje korlátozott. Amikor a fény áthalad egy lencsén, a fény diffrakció révén szétterjed. Ez azt jelenti, hogy két objektumot nem lehet megkülönböztetni, ha nagyjából 250 nanométerre (a méter 250 milliárdod részén) vannak egymástól - inkább csak elmosódottnak tűnnek. Így korlátokba ütközött a sejtszerkezetek belső működésének megismerése.

Az elektronmikroszkópia, amely a hagyományos fény helyett elektronsugarakat alkalmaz, kiemelkedő felbontást nyújt. Ennek ellenére a kapott fekete-fehér képek miatt nehezebb a fehérjék azonosítása, ráadásul ez a technika kizárólag elhalt sejtek és organizmusok vizsgálatára használható.

Ezek a forradalmian új "szuperfelbontású" fénymikroszkópos módszerek elképesztő precizitással képesek akár 100 nanométeres, sőt egyes esetekben 10 nanométernél is kisebb méretű objektumokat megkülönböztetni. A kutatók apró fluoreszcens jelöléseket alkalmaznak, melyeket specifikusan egyes fehérjékhez vagy DNS-szakaszokhoz kötnek, gyakran élő sejtekben végzett kísérletek során. Így lehetőség nyílik arra, hogy a sejtek működésének aktív folyamatait valós időben nyomon követhessük.

Ezek a kutatások most olyan alapvető tudásbeli hiányosságokat töltenek be, amelyek elengedhetetlenek a sejtek működésének megértéséhez. Különösen érdekes, hogy ezek az új felfedezések rávilágítanak arra, hogyan alakulnak ki neurológiai rendellenességek, mi zajlik a rákos sejtek szaporodása során, vagy hogyan hatnak a vírusfertőzések. "Egy új biológiai világ nyílik meg előttünk, olyan jelenségeket figyelhetünk meg, amelyek létezésében eddig bíztunk, de eddig nem tudtuk őket közvetlenül tanulmányozni" - nyilatkozta Lothar Schermelleh, a molekuláris sejtbiológia szakértője, aki az Oxfordi Egyetem képalkotó központját irányítja az Egyesült Királyságban.

Íme, néhány módszer, amelyet a tudósok alkalmaznak a fénymikroszkópia új korszakában:

Schermelleh szerint ezeknek a technikáknak az alapjait a 2000-es évek elején fejlesztették ki, de csak a közelmúltban váltak széles körben elterjedtté és eléggé hozzáférhetővé ahhoz, hogy a biológusok rutinszerűen használhassák. "Ma már nagyon sok olyan projektünk van, amely a szuperfelbontású mikroszkópiát valódi eszközként használja a biológiai felfedezéshez" - mondta.

A kutatások már most újfajta sejtstruktúrákat világítottak meg. A tudósok felfedezték, hogy az idegsejtek rendelkeznek egy különleges vázszerkezettel, amelyet membránhoz kapcsolódó periodikus váznak (MPS) neveznek. Ez a struktúra merevséget és formát biztosít, továbbá kulcsszerepet játszik az idegsejteken belüli jelek átvitelében, és hozzájárul a sejtek hatékony működésének fenntartásához. "Az MPS gyakorlatilag az összes idegrendszeri funkcióban részt vesz" - nyilatkozta Victor Macarrón-Palacios, a Columbia Egyetem neurobiológusa. Nemrégiben kollégáival együtt arról számolt be, hogy egy speciális fehérje, a paralemmin-1 felelős az MPS összetett szerkezetének megszervezéséért.

Más sejtstruktúrák is sokkal bonyolultabbnak tűnnek, mint ahogyan azt korábban gondoltuk. 2025 elején Melike Lakadamyali, a Pennsylvaniai Egyetem biofizikusa, valamint kollégái felfedezték, hogy a lizoszómák, ezek a sejtekben található organellumok, amelyek alapvetően a "hulladékok" lebontásáért felelősek, különféle fehérjekombinációkat hordozhatnak a felszínükön. Ez a felfedezés valószínűleg arra utal, hogy a specifikus lizoszómák olyan további funkciókkal bírnak, mint a tápanyagok érzékelése és a sérült sejthártyák helyreállítása.

A tudósok figyelme nemcsak az organellumok egyedi funkcióira terjed ki, hanem arra is, hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással. Jennifer Lippincott-Schwartz, a virginiai Howard Hughes Orvosi Intézet Janelia Kutatókampuszának elismert sejtbiológusa például a mitokondriumok és a fehérjetermelő endoplazmatikus retikulumok közötti összefüggéseket kutatja. Az endoplazmatikus retikulum, amely fontos szerepet játszik a kalcium- és lipidtranszportban, elengedhetetlen a mitokondriumok számára, így a két organellum közötti kapcsolatok feltárása új megvilágításba helyezheti a sejtek energiatermelési folyamatait.

Az ilyen vizsgálatok segíthetnek feltárni a betegségek okait. Tavaly Lippincott-Schwartz megtudta, hogy a VAPB gén mutációi, amelyekről úgy gondolják, hogy hozzájárulnak az ideggyilkos betegséghez, az amiotrófiás laterálszklerózishoz (ALS), megzavarhatják az endoplazmatikus retikulum és a mitokondriumok kapcsolatát.

Ez megváltoztathatja ezeknek az "erőműveknek" a működését, és segíthet megmagyarázni az ALS kialakulását. "Csak azt tanuljuk, hogy ezek a különféle genetikai mutációk, amelyek e betegségek némelyikének alapjául szolgálnak, valójában mit tesznek a sejtek biológiai szintjén" - mondta el akkor.

A tudósok a sejtmagba is belenéztek, és tanulmányozták a benne lévő DNS-t, azt az emberi DNS-t, melyet, ha egyetlen sejtből eltávolítanának és kinyújtanának, körülbelül két méter hosszt is kitenne. A sejtmag belsejébe történő becsomagoláshoz a hisztonoknak nevezett fehérjék köré kell tekerednie, kromatin néven ismert gyöngysor-kombinációt hozva létre. A kromatin tovább hurkolódik és csavarodik, hogy végül kialakítsa kromoszómáinkat.

A szakértő a háromdimenziós emlőssejtek anyagának rendeződését vizsgálta. "A méret tartománya éppen a diffrakciós határvonal alatt helyezkedik el, ami miatt korábban nem volt lehetőség a pontos értékelésre" - fűzte hozzá.

A Lakadamyali kutatásai rávilágítottak arra, hogy a gyöngyök DNS-hiszton húrjainak struktúrái sokkal gazdagabb és sokszínűbb formákba rendeződnek, mint ahogy azt a tudományos közösség korábban gondolta. Ez azt jelenti, hogy a DNS különböző szakaszai eltérő mértékben vannak összehúzva, ami meghatározza, mennyire elérhetőek ezek a régiók a sejtek számára.

Ez kiemelkedő jelentőségű, mivel a testünk eltérő sejtjei, például a szívben lévő sejtek vagy az idegsejtek, csupán a génjeik egy specifikus részhalmazát aktiválják. Azok a gének, amelyeket használnak, lazább, könnyebben elérhető formában maradnak, míg a nem aktív, tompított gének szorosabb csomagolásban rejtőznek.

2015-ben Lakadamyali megállapította, hogy az embrionális őssejtek, amelyek bármilyen sejttípussá alakulhatnak, nagyon laza kromatin szerkezettel rendelkeznek, összehasonlítva a speciálisabb sejtekkel, amelyekben elnémítottak azok a gének, amelyekre nincs szükségük. "A kromatin térbeli szerveződése alapján valóban meghatározhatjuk, hogy egy sejt őssejt vagy differenciált sejt" - állítja Lakadamyali, a szuperfelbontási technikák 2023-as áttekintésének társszerzője.

A kutatók alaposan tanulmányozzák a betegség által érintett sejteket. Például Markus Sauer, a Würzburgi Egyetem biofizikusa, a rákos sejtek felületén található bizonyos receptorfehérjéket vizsgálja, amelyek kulcsszerepet játszanak a rákellenes kezelések célzásában. A leukémia, más néven vérrák esetén, a szakemberek genetikailag módosított immunsejteket hoztak létre, hogy azok képesek legyenek azonosítani és elpusztítani a rákos sejteket, amelyek jellegzetes felszíni fehérjékkel bírnak.

Sauer megállapítása szerint a rákos sejtek fehérjéinek vizsgálatára, valamint a betegek hatékony terápiákkal való összehangolására alkalmazott általános módszerek nem nyújtanak teljes körű képet. Ezt a jelenséget már 2015-ben bemutatták, amikor orvosok arra figyeltek fel, hogy a vérrákos mielóma multiplexben szenvedő betegeket sikeresen kezelhetik olyan terápiákkal, amelyek a CD19 nevű receptort célozzák meg. Mindehhez képest meglepő volt, hogy a CD19 nem volt kimutatható a mielóma multiplex rákos sejtjeiben a megszokott vizsgálati eljárások során.

Sauer és csapata 2019-ben felfedezte, hogy a CD19 fehérjék szuperfelbontású mikroszkóp segítségével kiválóan láthatóak. Kutatásuk során arra a következtetésre jutottak, hogy az immunterápiák hatékony működéséhez csupán tíz CD19 fehérje elegendő a rákos sejtek felszínén található több száz vagy akár ezer más fehérje közül.

Sauer úgy véli, hogy a mikroszkópos technikák alkalmazása révén a betegek hatékonyabb hozzáigazítása lehetséges a különböző terápiákhoz. Legújabb kutatásai során sikerült felfedeznie egy új receptorfehérjét, amely kulcsszerepet játszik a kezelésekben, és hozzájárult a daganatok elpusztításának pontos mechanizmusának megértéséhez. Ezek az ismeretek potenciálisan növelhetik az immunterápiák hatékonyságát. "Ezeket a folyamatokat molekuláris szinten kell megjeleníteni" - hangsúlyozta.

A vírusok által az emberi sejtek megfertőzésére és szaporodására használt ravasz trükköket is vizsgálják. Ennek a dinamikájának megértése segíthet a tudósoknak új vírusellenes gyógyszerek kifejlesztésében - fejti ki Christian Sieben, a németországi Helmholtz Fertőzéskutató Központ virológusa.

2025 elején Sieben kutatói csapata izgalmas felfedezést tett az influenza A vírus emberi sejtekbe való behatolásának mechanizmusáról. A vírus és az emberi fehérjék jelölésének segítségével felfedték, hogy a vírus először a sejtfelszínen található specifikus receptor fehérjéhez tapad, ezzel megkezdve a fertőzés folyamatát. Ez a megfigyelés új perspektívákat nyithat a vírusellenes kezelések fejlesztésében.

A vírus ezután megvárta, amíg a sejt membránjában mozgó más receptorfehérjék felhalmozódnak a közelben. Csak akkor tudott bejutni a sejtbe, ha a vírus több receptorhoz kapcsolódott.

2024-ben a Stanford Egyetem tudóscsoportja vizsgálta meg, hogyan "szaporodik" a Covid-19-et okozó vírus az emberi sejtekben. Leonid Andronov biofizikus és munkatársai fluoreszcens jelöléseket használtak a genetikai anyag megjelölésére, és azt találták, hogy a SARS-CoV-2 kettős membránnal burkot képez, amelyben lemásolja genetikai anyagát. Ez valószínűleg megakadályozza a sejt általi pusztulást.

Ahogy a tudományos közösség egyre inkább a szuperfelbontású mikroszkópiára támaszkodik a sejtek belső folyamataiban rejlő részletek feltárására, felmerül a kérdés: milyen új dimenziókat nyithat meg ez a technológia? Lakadamyali hangsúlyozza, hogy a finomabb fluoreszcens szondák kifejlesztése, melyek lehetővé teszik, hogy egyetlen fehérjéhez több különböző helyet is hozzárendeljünk, jelentős mértékben fokozhatja a mikroszkópiás felbontás szintjét.

Végül is mindössze két évtizeddel ezelőtt még nem is sejtettük, hogy képesek leszünk átlépni a diffrakciós határokat - osztja meg véleményét a kutató.