قام باحثان أمريكيان وألماني بتطوير طرق مختلفة لإعداد عينة للفحص بحيث يتمكن المجهر من تجميع صورة عالية الدقة للعظم الذي تم فحصه، وذلك بما يتماشى مع مجال تكنولوجيا النانو والبيولوجيا الجزيئية
مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2014 لثلاثة باحثين: إريك بيتزيج من معهد جانيليا للأبحاث الزراعية، معهد هوارد هيوز الطبي، أشبورن، فيرجينيا، الولايات المتحدة الأمريكية؛ معهد ستيفان هيل ماكس بلانك للكيمياء الفيزيائية الحيوية، غوتنغن والمركز الألماني لأبحاث السرطان، هايدلبرغ، ألمانيا؛ ويليام مورنر من جامعة ستانفورد، ستانفورد، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية "لتطوير المجهر الفلوري عالي الدقة"
لفترة طويلة كان للمجهر الضوئي حد غير قابل للكسر: لم يكن من الممكن أبدًا الحصول على دقة أفضل من نصف الطول الموجي للضوء. وبمساعدة جزيئات الفلورسنت، تغلب الفائزون بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2014 ببراعة على هذا القيد. لقد دفع عملهم الرائد المجهر الضوئي إلى عصر النانو.
فيما أصبح يُعرف باسم التنظير النانوي، يستطيع العلماء الآن رؤية مسارات الجزيئات الفردية داخل الخلايا الحية - يمكنهم رؤية كيف تشكل الجزيئات نقاط الاشتباك العصبي بين الخلايا العصبية في الدماغ؛ ويمكنهم تتبع البروتينات المشاركة في تطور أمراض الزهايمر، ومرض باركنسون، ومرض هنتنغتون بمجرد أن تبدأ في تكوين مجاميع؛ يمكنهم تتبع البروتينات الموجودة في البويضات المخصبة بمجرد أن تبدأ في الانقسام وتصبح جنينًا.
لم يكن من الواضح على الإطلاق أن العلماء سيتمكنون يومًا ما من دراسة الخلايا الحية بأدق التفاصيل الجزيئية. في عام 1873، توقع عالم المجهر الألماني إرنست آبي حدًا ماديًا للدقة القصوى للمجهر الضوئي العادي: لن يكون أبدًا أفضل من 0.2 ميكرومتر. فاز الباحثون الثلاثة بجائزة هذا العام لتغلبهم على هذا القيد. وبفضل إنجازاتهم، دخل المجهر الضوئي الآن إلى عالم النانومتر.
يتم منح الفوز لمبدأين منفصلين. أحدهما يدور حول طريقة الفحص المجهري لاستنفاد الانبعاث المحفز (الفحص المجهري لاستنفاد الانبعاث المحفز) التي طورها البروفيسور ستيفن هيل في عام 2000. في هذه الطريقة، يتم استخدام شعاعي ليزر - أحدهما يتسبب في توهج جزيئات الفلورسنت، والآخر يزيل كل الفلورسنت باستثناء الضوء. واحدة بحجم نانومتر. يؤدي مسح العينة، نانومترًا تلو الآخر، إلى الحصول على صورة ذات دقة أعلى من تلك التي تنبأ بها آبي.
قام إريك بيتزيج وويليام مورنر، اللذان عملا بشكل منفصل، بوضع أسس الطريقة الثانية، وهي الفحص المجهري لجزيء واحد. تعتمد الطريقة على إمكانية تنشيط مضان الجزيئات الفردية بطريقة مميزة - متقطعة ومباشرة. يقوم العلماء بتصوير السطح عدة مرات، مما يسمح فقط لبعض الجزيئات بالتوهج في كل مرة. يؤدي وضع الصور الناتجة واحدة فوق الأخرى إلى إنتاج صورة فائقة مضغوطة بدقة تصل إلى مستوى النانومتر. في عام 2006، استخدم بيتزيج هذه الطريقة لأول مرة على الإطلاق.
اليوم، أصبحت طريقة التنظير النانوي منتشرة على نطاق واسع في العالم العلمي بأكمله وتقدم معرفة جديدة لها إسهام كبير للبشرية، كل يوم.
رئيس لجنة جائزة نوبل للكيمياء البروفيسور مونس أرينبيرج يشرح كذلك ردًا على سؤال أحد الصحفيين السويديين ما هي الدقة الفائقة؟
"تشير الدقة الفائقة إلى حد آبي (إرنست كارل آبي، 1840-1905)، في عام 1876، والذي بموجبه لن يكون من الممكن الوصول إلى دقة أكبر من نصف الطول الموجي للضوء المستخدم. الأساليب التي طورها الفائزون الثلاثة وبينت أنه يمكن تجاوز هذا الحد، وليس إلى حد جديد، ولكن يمكنك التقدم إلى أي دقة تريدها، وهذا لا ينطبق في كل نظام لأنه يتعين عليك إجراء عمليات على العينة، على سبيل المثال عليك إجراء ذلك الفلورسنت، ولكن إذا كان التحضير ممكنا، فإن الحد المادي أقل بكثير وهذا يعني أنه يمكننا مراقبة الأجسام الأصغر والأصغر.
ما هي العوالم الجديدة التي يمكن رؤيتها في المجهر الجديد؟
"الطريقة السهلة لفهم ذلك هي أن تتذكر الغرض الذي تم استخدام المجهر من أجله منذ البداية. وأول صورة تم رسمها بعد مشاهدتها تحت المجهر كانت صورة علم الأحياء الدقيقة. ولأننا نستطيع رؤية جزيئات كبيرة فردية تتحرك داخل الخلية الحية، فيمكننا دراسة الكيمياء على مستوى جزيء واحد وكيفية سلوكه في الحياة الواقعية. وهذا مهم جدًا في الكيمياء لأن الكيمياء في شكلها التقليدي تحدثت عن مراقبة عدد كبير من الجزيئات. الآن يمكننا مشاهدة جزيء واحد وهو يعمل في النظام الكيميائي. يمكنك دراسة التفاعلات فور حدوثها وليس مجرد رؤية النتيجة النهائية. وهذا يفتح إمكانيات جديدة للكيمياء والكيمياء الحيوية. "
"وتشمل الجائزة جميع المجالات التي تمنح فيها جوائز نوبل العلمية. لها إمكانات كبيرة في الطب، وهي جائزة لها جانب مادي وبالطبع استخدام الكيمياء. إنها إحدى الجوائز التي تطمس الحدود بين المجالات."
كيف يختلف هذا التطور عن المجاهر الأخرى ذات الدقة العالية، ففي النهاية هناك مجاهر إلكترونية؟
"الفرق هو أن المجهر الضوئي يسبب ضررا أقل للعينة. إذا كنت ترغب في عرض خلية بالمجهر الإلكتروني. عليك أولاً تقطيعها إلى شرائح لأن الإلكترونات يمكنها اختراق طبقة رقيقة من المادة. وهذا يعني أن الخلية ماتت، ونحن نشاهدها وهي تموت طبقة بعد طبقة لنرى ما بداخلها. وهذا يعني أننا لا نستطيع رؤية الديناميكيات ولا نستطيع دراسة العمليات الداخلية. لقد تعلمنا الكثير من المجهر الإلكتروني، فهو أداة رائعة، ولكننا نريد أيضًا أن نكون قادرين على مراقبة الخلايا الحية."
