Ważnego osiągnięcia w mikroskopii dokonał polsko-izraelski zespół pod kierunkiem dra Radka Łapkiewicza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, laureata programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Na łamach czasopisma „Optica” naukowcy przedstawili nową, rewolucyjną metodę mikroskopii, która teoretycznie nie ma limitu rozdzielczości. 

W praktyce udało się wykazać aż czterokrotne pokonanie tzw. ograniczenia dyfrakcyjnego, wynikającego z natury światła i będącego jedną z głównych przeszkód w obserwowaniu najmniejszych struktur biologicznych.

Dalszy rozwój nauk biologicznych i medycyny wymaga obserwacji coraz to mniejszych obiektów. Naukowcom zależy na tym, żeby mieć wgląd w strukturę i wzajemne oddziaływania np. białek w komórkach. Przy tym, oglądane próbki nie powinny różnić się od struktur występujących naturalnie w organizmie, co wyklucza użycie zbyt agresywnych procedur i odczynników. Klasyczny mikroskop optyczny, choć dokonał rewolucji w naukach przyrodniczych, dziś jest już dalece niewystarczający. Z uwagi na falową naturę światła mikroskop optyczny nie pozwala na obrazowanie struktur mniejszych niż około 250 nanometrów. Obiekty położone od siebie bliżej niż połowa długości fali światła (czyli właśnie ok. 250 nm dla światła zielonego) przestają być rozróżnialne. Jest to tzw. ograniczenie dyfrakcyjne, które próbują pokonać naukowcy. Rozdzielczość o kilka rzędów wielkości większą niż mikroskop optyczny ma mikroskop elektronowy, ale można w nim obserwować wyłącznie martwe obiekty, umieszczone w próżni i bombardowane wiązką elektronów. Za pomocą mikroskopii elektronowej nie można zatem badać żywych organizmów ani naturalnie zachodzących w nich procesów. Rozwiązaniem jest mikroskop fluorescencyjny. Dlatego też super-rozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna jest aktualnie bardzo prężnie rozwijającym się obszarem nauk fizycznych, a badania na rzecz jej rozwoju zostały już dwukrotnie uhonorowane Nagrodą Nobla – w 2008 i 2014 roku.

Obecnie istnieje już kilka technik mikroskopii fluorescencyjnej, a niektóre z nich stały się narzędziami powszechnie stosowanymi w obrazowaniu biologicznym. Część metod, takich jak mikroskopia PALM, STORM lub STED, charakteryzuje się olbrzymią rozdzielczością i pozwala na rozróżnianie obiektów oddalonych od siebie o zaledwie kilkanaście nanometrów. Techniki te wymagają jednak długiego czasu ekspozycji oraz skomplikowanego przygotowania preparatów biologicznych. Inne techniki, takie jak mikroskopia SIM lub ISM, są metodami łatwymi w użyciu, ale posiadają znacznie ograniczoną rozdzielczość i pozwalają oglądać struktury jedynie dwukrotnie mniejsze od ograniczenia dyfrakcyjnego.

Dr Radek Łapkiewicz z Laboratorium Optyki Kwantowej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Aleksandra Środa i Adrian Makowski – studenci WF UW, wraz z zespołem Dana Orona z Instytutu Weizmanna w Izraelu, opracowali nową technikę mikroskopii super-rozdzielczej, nazwanej przez nich Super-resolution optical fluctuation image scanning microscopy (SOFISM). Jest ona ulepszeniem istniejącej metody ISM. „SOFISM oferuje kompromis pomiędzy łatwością użycia a rozdzielczością. Wierzymy, że nasza metoda może być uzupełnieniem niszy pomiędzy skomplikowanymi, trudnymi w użyciu technikami o bardzo wysokiej rozdzielczości a metodami o niskiej rozdzielczości, lecz prostymi w użyciu. SOFISM nie posiada teoretycznego limitu rozdzielczości, jednakże w naszej pracy przedstawiliśmy wyniki, w których zdołaliśmy czterokrotnie pokonać ograniczenie dyfrakcyjne. W artykule pokazaliśmy również, że metoda SOFISM posiada wysoki potencjał w obrazowaniu trójwymiarowych struktur biologicznych” – mówi dr Radek Łapkiewicz.

Co niezwykle ważne, metoda opracowana przez warszawskich fizyków jest – od strony technicznej – bardzo przystępna, ponieważ wymaga tylko niewielkiej modyfikacji powszechnie stosowanego w laboratoriach mikroskopu konfokalnego: wymiany w nim fotopowielacza na detektor SPAD array. Dodatkowo konieczne jest niewielkie wydłużenie czasu pomiaru oraz zmiana procedury obróbki danych. „Detektory SPAD array były do niedawna drogie, a ich parametry nie były wystarczające do zastosowań takich jak nasze. Ta sytuacja zmieniła się ostatnio. Od ubiegłego roku dostępne są nowe detektory SPAD, w których zarówno bariery technologiczne, jak i cenowe zostały usunięte. Dlatego uważamy, że techniki mikroskopii fluorescencyjnej, takie jak SOFISM, mogą w ciągu kilku lat stać się technikami powszechnie stosowanymi w badaniach mikroskopowych” – podkreśla dr Łapkiewicz.

Badania były realizowane w ramach programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z funduszy europejskich z programu Inteligentny Rozwój. Program FIRST TEAM umożliwiał młodym naukowcom stworzenie własnego zespołu badawczego i prowadzenie oryginalnych badań naukowych. Środki były przyznawane w drodze konkursu. Dr Łapkiewicz zdobył grant w programie FIRST TEAM w 2017 r. i otrzymał prawie 2 mln zł na stworzenie zespołu i na badania. Wcześniej – w 2016 r. – dr Łapkiewicz zdobył prestiżowe stypendium w programie START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, przyznawane najzdolniejszym młodym naukowcom w Polsce.

Źródło: Aleksandra Środa, Adrian Makowski, Ron Tenne, Uri Rossman, Gur Lubin, Dan Oron, Radek Łapkiewicz: „SOFISM: Super-resolution optical fluctuation image scanning microscopy”.

• Link do artykułu

***

Fundacja na rzecz Nauki Polskiej istnieje od 1991 r. i jest niezależną, samofinansującą się instytucją pozarządową typu non-profit, która realizuje misję wspierania nauki. Jest największym w Polsce pozabudżetowym źródłem finansowania nauki. Do statutowych celów FNP należą: wspieranie wybitnych naukowców i zespołów badawczych oraz działanie na rzecz transferu osiągnięć naukowych do praktyki gospodarczej. Fundacja realizuje je poprzez przyznawanie naukowcom indywidualnych nagród i stypendiów, przyznawanie subwencji na wdrażanie osiągnięć naukowych do praktyki gospodarczej, inne formy wspierania ważnych przedsięwzięć służących nauce (jak np. programy wydawnicze). Fundacja angażuje się także we wspieranie międzynarodowej współpracy naukowej oraz zwiększanie samodzielności naukowej młodego pokolenia uczonych.