חיים שקפאו בזמן

ד"ר אילת אטקינס המדענית האחראית על תפעול מערכות המיקרוסופ האלקטרוני ליישומי מדעי החיים של המכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים באוניברסיטת בר-אילן. אטקינס השלימה את הדוקטורט שלה במכון וייצמן למדע ובאוניברסיטה העברית ואת הפוסט דוקטורט באוניברסיטת טורונטו בקנדה. כיום, בזכות המומחיות שצברה ובזכות מענק משמעותי מהקרן הישראלית למדעים המיועד לרכישת ציודCRYO  מתקדם, המכון לננוטכנולוגיה מצטרף לתחום המחקר המתפתח של מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית


בדרך לעידן חדש של ביולוגיה מבנית

פרס נובל בכימיה לשנת 2017 הוענק לשלושה מדענים שפיתחו במהלך שני העשורים האחרונים של המאה הקודמת מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית: ז'אק דובושה, יואכים פרנק, וריצ'רד הנדרסון.  

עד גילוי זה, עולם המדע לא היה מסוגל לייצר תמונות של מרבית המנגנונים המולקולריים של החיים. טכנולוגיה פורצת דרך זו שיפרה משמעותית את יכולות המיקרוסקופ האלקטרוני ואפשרה לראשונה בהיסטוריה לייצר תמונות לתהליכים ביו-מולקולריים בתלת מימד באמצעות הקפאת מולקולות תוך כדי תנועה. הישג זה חיוני להבנת יסודות כימיית האורגניזמים החיים, והמפתח לפיתוח מגוון תרופות חדשניות. הגילוי הזה הוביל לפיצוח הסוד של החלבונים המאפשר עמידות חיידקים לאנטביוטיקה, לדוגמה, זיהוי מטרות על פני השטח של וירוס הזיקה.

עד לאחרונה, למכון לננוטכנולוגיה לא היה את כוח האדם, המומחיות והציוד הנדרשים לעריכת מחקרים על דוגמאות ביולוגיות. בקיץ 2018, לאחר שפרופ' אורית שפי, פרופ' רונית שריד ופרופ' שולמית מיכאלי הגישו בקשה למענק מהקרן הישראלית למדעים, המכון קיבל מענק גדול לצורך קניית מספר פריטי ציוד מתקדמים:   

  • HPF  (הקפאה בתנאי לחץ גבוה) להכנת דוגמאות
  • FS  (תא אוטומטי להעלאת טמפרטורה)
  • Cryo-ultramicrotome

ד"ר אטקינס מציינת שמכשור מתקדם זה חולל מהפכה בתחום הביוכימיה. עם המימון מהמענק, ועם המומחיות והניסיון של ד"ר אטקינס, המכון יכול כעת להכין דוגמאות ביולוגיות ולקבל תמונות שלהן. "עכשיו אנחנו יכולים לבחון פרטים בחלקים הפנימיים של הדוגמאות הביולוגיות ברזולוציה גבוהה. זה ממצב אותנו כמובילים בתחום מחקר זה. ציוד זה יאפשר לנו לערוך ניסויים מתוכננים ומתוזמנים היטב, וירחיב את תחום הידע המדעי שלנו," אומרת ד"ר אטקינס.

מספר קבוצות מחקר בבר-אילן זקוקות לציוד הזה לצורך עריכת מחקריהן. הן יוכלו כעת להשתמש בו לבחון מורפולוגיית תאים ורקמות ואת הדינמיקה ביניהן ברזולוציה וברמת דיוק גבוהות במיוחד. דוגמאות ליוזמות מחקריות מתוכננות:

  • אפיון הארגון בגרעין ובגרעינון התא בזמן זיהום ויראלי
  • מעקב אחר התכנסות חלקיקי ויריון
  • הערכת מעורבות חלבונים מדכאי סרטן בארגון מחדש של הדנ"א ותהליכי תיקון דנ"א במהלך ייצור גאמטות ותגובת המערכת החיסונית.

 

האמת המוצקה על טכניקה מדהימה

דוגמאות ביולוגיות חיות לא יכולות לעמוד בואקום העוצמתי של מיקרוסקופ האלקטרונים. לכן, אם רוצים לבחון דוגמאות אלו, חשוב לערוך מספר שלבי הכנה כדי לשמר את מבנה התאים:

בשנים האחרונות קיבוע קריוגני, או פיקסציה קריוגנית, הפכה לשיטה המועדפת להכנת דגימות ביולוגיות למיקרוסקופיית אלקטרונים (EM). זו הטכניקה היחידה שלא משנה משמעותית את מבנה התא, וזהו יתרונה העיקרי מול שיטת הפיקסציה הכימית – שהיא עדיין השיטה הרווחת ביותר.

בפיקסציה קריוגנית מעבירים את הדגימות הקפאה מהירה בלחץ גבוה HPF, בטמפרטורה של מינוס 170 מעלות. פעולה זו עוצרת מיידית את כל הפעילות הביולוגית והפיזית בתוך ומחוץ לתא, ומקבעת את הרקמות שלו תוך שימור מבנה התא. חלק מהתהליך כולל שימוש בטכניקת ויטריפקציה (זיגוג) קריוגנית, שהופכת את החומר לאמורפי בשבריר שניה. בכך נמענת היווצרות גבישי קרח ונשמר מבנה הרקמה המקורי.

לעומת זאת, בתהליך פיקסציה כימית, המרכיב העיקרי בתאים – מים – קופאים ונוצרים גבישים במגוון צורות. התהליך הזה משנה את צורת הדוגמאות, וגורם לרקמות להתפרק ולתאים להישבר ולהצטמק.

כמו כן, שרשרות חלבונים רבות נוטות להתפרק בשל השינוי הקל ביותר בטמפרטורה או באוסמוזה (כמו אלה המתרחשים בפיקסציה כימית). התופעות הבלתי רצויות האלה מצטמצמות משמעותית בפיקסציה קריוגנית.

מכשיר ב HPF החדש של המכון כולל מודול העברה מהירה RTS שמאפשר שימוש ב HPF לצורך הקפאת אירועים דינאמיים בשילוב עם קורלציית אור ברזולוציה ובתזמון גבוהים ומיקרוסקופיית אלקטרונים.

השימוש בטכניקה החדשנית של מיקרוסקופיית אלקטרונים-אור CLEM מאפשר 'לכידה' של אירועים בתוך התא שאורכים פחות מ 5 שניות בזמן אמת, ובחינתם במיקרוסקופ אור LMעם או ללא תגים פלורסצנטיים, לאחר מכן ישנה אפשרות לקיבוע קריוגני של אותה דגימה וניתוחה ברזולוציה גבוהה במיקרוסקופ אלקטרונים EM.

שילוב טכניקות LM ו EM מאפשר יצירת תמונות ברורות יותר על ידי שילוב מספר שכבות של מידע בתוך תמונה אחת. זוהי דרך פשוטה יותר לחקור תהליכים דינאמיים תוך שימור מירבי של האולטרה-מבנים.

לאחר השלמת שלבי ההכנה הללו, הדגימות מוכנות לויזואליזציה ברזולוציה גבוהה במיוחד במיקרוסקופ אלקטרונים חודר TEM.

כלי מהפכני זה תורם להבנה מעמיקה יותר של קינטיקה בתוך תאים, הניתנת לצפייה באמצעות דימות תא חי. שיטות EM רגילות לא יכולות לייצר דימות כזו משום שהתהליכים הללו נדירים ומהירים מאד. שיטה זו יעילה במיוחד בבחינת היסטורית מבנה התא החיונית להבנת התנהגותו. המכון לננוטכנולוגיה השכיל לזהות את החשיבות העצומה של שדרוג טכנולוגי זה, ושואף לנצל את ההזדמנות הייחודית הזו ולחולל פריצות דרך שיכולות לשנות את פני הרפואה המודרנית.


 

לכתבות נוספות...