Bilim insanları küçük proteinleri görünür kılan yeni lazer sistemi geliştirdi

Modern tıp ve ilaç araştırmalarındaki en büyük sorunlardan biri, insan vücudundaki proteinlerin önemli bir bölümünün mevcut görüntüleme sistemleriyle yeterince net biçimde incelenememesi. Günümüzde kullanılan en gelişmiş kriyoelektron mikroskopları dahi özellikle 70 kilodaltonun altındaki proteinleri çözümlemekte zorlanıyor. Bu sınır, insan proteomunun yaklaşık yüzde 90’ını oluşturan küçük proteinlerin hücre içindeki davranışlarının ayrıntılı biçimde incelenmesini güçleştiriyor. Aynı durum, yeni ilaç moleküllerinin tasarlanması ve hastalıkların hücresel düzeyde anlaşılması için yürütülen araştırmaları da doğrudan etkiliyor. UC Berkeley Fizik Bölümü ile Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları, bu sorunu aşmak amacıyla yeni bir lazer faz plakası sistemi geliştirdi. Fizik Profesörü Holger Müller liderliğindeki ekip, 1930 yılında Hollandalı fizikçi Frits Zernike tarafından geliştirilen ve 1953’te Nobel Ödülü’ne layık görülen faz kontrastı yöntemini modern kriyoelektron mikroskopisine uyarladı.

THEIA ADI VERİLEN ÖZEL MİKROSKOP

Projenin geliştirilmesinde teknoloji ve bilim odaklı Biohub kuruluşu finansman desteği sağladı. Biohub, Müller’in geliştirdiği lazer faz plakası sistemiyle donatılmış özel yapım bir Thermo Fisher Krios mikroskobunun kurulmasını finanse etti. Araştırmacılar, antik Yunan mitolojisindeki ışık tanrıçasından esinlenerek cihaza “Theia” adını verdi. Sistem, standart kriyoelektron mikroskoplarına göre daha yüksek görüntü kontrastı ve çözünürlük sunacak şekilde tasarlandı. Müller, cihazın kapasitesini 'Theia, mikroskop dünyasının Formula 1 aracıdır' sözleriyle tanımladı.

15 YILLIK ÇALIŞMANIN ÜRÜNÜ

Sistemin merkezinde, elektron ışınının fazını değiştirerek görüntü kontrastını artıran yoğun ve hassas biçimde odaklanmış bir sürekli dalga lazeri bulunuyor. Müller ve ekibi, bu yöntemi teorik bir fikirden çalışan bir sisteme dönüştürmek için yaklaşık 15 yıl boyunca çalıştı. Geliştirilen düzende lazer ışığı, küresel ve aynalı bir boşluğun içinde 10 binden fazla kez yansıtılıyor. Bu işlem sonucunda ışık, yalnızca birkaç mikron genişliğindeki bir alana sıkıştırılıyor ve 75 kilovatlık etkin güce ulaşıyor. Araştırmacılara göre ortaya çıkan odak, bugüne kadar oluşturulan en parlak sürekli lazer odaklarından biri olma özelliği taşıyor. Sistemin odak yoğunluğu, kaynak makinelerinde ve askeri amaçlı bazı lazer uygulamalarında kullanılan seviyelerin üzerine çıkıyor.

HEMOGLOBİN GÖRÜNTÜLENDİ

Yapılan deneylerde yeni lazer faz plakası, hücre içinde yoğun biçimde bulunan küçük protein yapılarını ayırt etmek için kullanıldı. Testler, hemoglobin gibi hücre içindeki küçük ve kalabalık proteinlerin mevcut yöntemlere kıyasla daha net biçimde görüntülenebildiğini gösterdi. Sistem, elektronların numuneden geçerken uğradığı faz değişimlerini görünür kontrasta dönüştürüyor. Böylece geleneksel kriyoelektron mikroskoplarında seçilmesi zor olan küçük proteinler daha belirgin hale geliyor. Araştırmacılar, bu yaklaşımın hücresel yapıların doğal ortamlarında daha ayrıntılı biçimde incelenmesine imkân sağlayacağını belirtiyor.

GÖRÜNTÜLEME SINIRI 50 KİLODALTONA İNDİ

Mevcut kriyoelektron mikroskopi sistemleri, çoğunlukla 70 kilodaltonun altındaki proteinleri görüntülemekte yetersiz kalıyor. Geliştirilen lazer faz plakasıyla bu sınır 50 kilodaltona kadar indirildi. Araştırma ekibi, bir sonraki aşamada sistemi daha da geliştirerek 17 kilodalton büyüklüğündeki miyoglobin gibi proteinlerin görüntülenmesini hedefliyor. Bu hedefe ulaşılması halinde, insan proteomunun çok daha büyük bir bölümünün doğrudan incelenebilmesi mümkün olacak. Küçük proteinlerin hücre içinde nasıl hareket ettiğinin ve diğer moleküllerle nasıl etkileşime girdiğinin görüntülenmesi, biyolojik süreçlerin daha ayrıntılı anlaşılmasına katkı sağlayacak.

İLAÇ GELİŞTİRME ÇALIŞMALARINDA KULLANILABİLİR

Yeni sistemin olası kullanım alanları arasında ilaç geliştirme, kanser araştırmaları ve nörodejeneratif hastalıkların incelenmesi bulunuyor. İlaç geliştirme çalışmalarında, hedef proteinin yapısının ve ilaç molekülüyle kurduğu etkileşimin doğru biçimde görüntülenmesi büyük önem taşıyor. Küçük proteinlerin daha net incelenebilmesi, yeni ilaç adaylarının tasarlanması ve değerlendirilmesi süreçlerinde kullanılabilecek ek veriler sağlayabilir. Biohub Görüntüleme Bilimi Başkan Yardımcısı Stephani Otte, teknolojinin biyoloji açısından önemli bir gelişme olduğunu belirtti. Otte, “İlk kez hücresel makinelerin canlı bir hücre içinde, kendi doğal ortamlarında nasıl çalıştığını görebileceğiz. Bir zamanlar tamamen görünmez olan yapıların görünür hale gelmesi, kanser ve nörodejeneratif hastalıklar başta olmak üzere hastalıkları anlama ve tedavi geliştirme süreçlerimizi değiştirebilir” dedi.

HÜCRE İÇİNDEKİ SÜREÇLER İNCELENECEK

Araştırmacılar, yeni lazer faz plakası sayesinde yalnızca izole edilmiş proteinlerin değil, hücre içindeki doğal ortamlarında bulunan moleküler yapıların da incelenmesini amaçlıyor. Bu yaklaşım, proteinlerin birbirleriyle kurduğu ilişkilerin, hücresel makinelerin çalışma biçiminin ve hastalık sırasında ortaya çıkan yapısal değişimlerin doğrudan gözlemlenmesine katkı sağlayabilir. Sistemin geliştirilmesiyle birlikte ilaç adaylarının hedef proteinlerle etkileşimlerinin daha erken aşamalarda incelenmesi de mümkün hale gelebilir. Araştırma ekibi, görüntüleme sınırını daha küçük proteinlere doğru genişletmek ve Theia sisteminin farklı biyolojik örneklerdeki performansını test etmek için çalışmalarını sürdürüyor.