الفائزون بجائزة نوبل في الكيمياء يتغلبون على قوانين الفيزياء

جائزة نوبل في الكيمياء للعلماء الذين طوروا طرقًا بصرية مبتكرة تسمح بمراقبة الجزيئات البيولوجية، من بين أشياء أخرى

كان أنتوني فان ليفينهوك، وهو تاجر صغير وموظف صغير في بلدية دلفت بهولندا، يمارس هواية في أوقات فراغه، وكان يحب تلميع العدسات الزجاجية، وفي النصف الثاني من القرن السابع عشر، أعجب فان ليوينهوك بشدة بالهواية. لم تكن المجاهر التي بناها أكثر تطوراً من مجاهر أسلافه، ولكنها كانت مزودة بعدسات صقلها بكل حب، وبمساعدتهم وبمساعدة رؤيته الممتازة وصبره وحكمته، كان الهولندي البسيط أول شخص يرى البكتيريا والمخلوقات المجهرية الأخرى بعينيه، وفي الواقع أسس علمًا جديدًا - علم الأحياء الدقيقة. قام خلفاء فان ليوينهوك ببناء مجاهر أقوى وأكثر تطورًا، بدقة أعلى، وكسروا حدود المعرفة الإنسانية. في الطب والأحياء والهندسة. ومع ذلك، مع تقدم العلوم، أصبح من الواضح أن المجهر الضوئي له حدود متأصلة من حيث حجم الأشياء التي يمكن رؤيتها من خلاله. الفيزيائي الألماني، إرنست آبي، الذي درس المبادئ البصرية للمجهر في نهاية القرن التاسع عشر، أرست القاعدة في المعادلة التي صاغها عام 17، والتي بموجبها من المستحيل رؤية الأجسام الأصغر من نصف الطول الموجي المرئي في المجهر.أقصر طول موجي للضوء المرئي هو الضوء البنفسجي، حوالي 19 نانومتر (نانومتر = جزء من المليون من المليمتر)، مما يعني أنه باستخدام مثل هذا المجهر يمكن تمييز الأشياء التي لا يقل حجمها عن 1873 نانومتر. وهذا يجعل من الممكن مراقبة معظم أنواع الخلايا والعضيات الموجودة بداخلها والبكتيريا وحتى الفيروسات الكبيرة، ولكن لا شيء أكثر من ذلك. حققت المحاولات المختلفة لتطوير طرق بصرية من شأنها تجاوز قيود قانون آبي، مثل المجهر أو المجال القريب، نجاحًا جزئيًا، لكنها عانت من العديد من القيود. وكان التطور الآخر هو المجهر الإلكتروني، الذي دخل الصورة في وقت مبكر من أواخر الثلاثينيات. وفي هذه المجاهر (التي تحسنت كثيرًا منذ ذلك الحين بالطبع)، يُستخدم شعاع إلكتروني يضرب العينة فيتناثر منها، أو يمر عبرها. وفقًا لتشتت الإلكترونات على أجهزة الكشف المحيطة، من الممكن إعادة بناء زاوية تأثيرها على العينة وتجميع صورة بتكبير أعلى بكثير من المجهر الضوئي. لكن استخدام المجهر الإلكتروني يتطلب تجميد العينة المفحوصة أو تغليفها بالمعدن، مما لا يسمح لهذه الطريقة بفحص العمليات التي تحدث في الخلايا الحية.

الإلهام الشمالي

لقد بحث العديد من العلماء عن طرق للتحايل على محدودية معادلة آبي، ولكن دون جدوى. أول من توصل إلى فكرة فعالة كان ستيفان دبليو هيل، وهو فيزيائي ولد في رومانيا. أجرى دراسته الأكاديمية في هايدلبرغ بألمانيا، حيث حصل أيضًا على الدكتوراه في الفيزياء عام 1990، حيث عمل على تحسين المجهر الضوئي. واصل العمل في أحد المختبرات الأوروبية في هايدلبرغ، وحاول تطوير طريقة للتحايل على قانون آبي. وفي عام 1993 اتجه شمالًا، وحصل على منصب بحثي في ​​جامعة توركو في فنلندا، حيث عمل على المجهر الفلوري. المواد الفلورية هي مواد تنبعث منها، استجابة لضوء ذو طول موجي معين، وميضًا من الضوء بطول موجي مختلف (بسبب حركة الإلكترون داخل المادة). على سبيل المثال، يتم إضاءة هذه المادة بالضوء الأزرق، وينبعث منها الضوء الأحمر. ومن الممكن تمييز الجزيئات البيولوجية، مثل البروتينات، بهذه الألوان. على سبيل المثال، إذا تم تمييز الجسم المضاد بصبغة الفلورسنت، فيمكنك تسليط الضوء عليه أثناء وجود الخلية تحت المجهر، ومعرفة مكان ارتباطه. يتيح المجهر الفلوري إمكانية تصفية الأطوال الموجية التي نبحث عنها فقط، وبالتالي تتبع العينة بشكل فعال. ومع ذلك، هذا مجهر ضوئي عادي، ويخضع لقيود قانون آبي، بحيث أنه من المستحيل التمييز بين جسم مضاد واحد، ولكن فقط مجموعة كبيرة جدًا ترتبط بخلية معينة أو منطقة معينة من الخلية. التفاصيل الدقيقة للعملية لا تزال غير واضحة. أثناء العمل على الأبحاث في فنلندا، جاءني الإلهام.

الليزر تحت المجهر

الفكرة التي توصل إليها هال، استخدمت شعاعي ليزر رفيعين جدًا - بضعة نانومترات - لمسح العينة التي تم اختبارها واحدًا تلو الآخر، بطريقة منهجية. يقوم الشعاع الأول بتنشيط صبغة الفلورسنت، والشعاع الذي يتبعه يطفئها. وبهذه الطريقة، يبقى فقط جزء صغير جدًا من العينة مضاءً في أي لحظة. وبما أن الجهاز الذي ابتكرته شركة Hell "يعرف" في أي وقت مكان وجود شعاع الليزر، فإن الكمبيوتر المتصل بالمجهر يستطيع توصيل نقاط الضوء التي يستقبلها المجهر، ويجمع منها - بمساعدة الموضع - صورة بتكبير أكبر مما تسمح به معادلة آبي. نشرت هيل الفكرة في عام 1994، وأطلقت على الجهاز اسم STED (استنفاد الانبعاثات المحفزة). ولم يثير المنشور أصداء كثيرة في المجتمع العلمي، وقرر بناء مثل هذا المجهر بنفسه. وفي غضون ذلك، عاد إلى هايدلبرغ، حيث نجح في عام 2000 في إظهار عمل الجهاز الذي قام بتطويره، وفي تصوير بكتيريا باستخدام المجهر الضوئي، بدقة أعلى بعشر مرات تقريبًا مما يسمح به قانون آبي. وبعبارة أخرى، فإن الطريقة التي طورها تجعل من الممكن تصوير الأجسام التي يقترب حجمها من 20 نانومتر باستخدام المجهر، والحصول على صورة أوضح بكثير للعمليات التي تحدث في الخلية الحية.

البروتينات المتوهجة

وفي الوقت نفسه، في مركز أبحاث IBM في كاليفورنيا، شارك ويليام إسكو مورنر في أبحاث أخرى في مجال البصريات. وُلد مورنر، الذي لا يُعرف باسم ويليام ولكن بلقب WE (على عكس والده وجده، اللذين كانا يحملان أيضًا اسم ويليام) في كاليفورنيا عام 1953، وفي سن التاسعة والعشرين أكمل بالفعل دراسته الجامعية. دكتوراه في الفيزياء مع مرتبة الشرف من جامعة كورنيل. ولم يتناول في أبحاثه في شركة IBM انبعاث الضوء، بل امتصاصه، وفي عام 29 كان أول عالم في العالم يقيس امتصاص الضوء لجزيء واحد. حتى الجزيئات الكبيرة نسبيًا، مثل البروتينات أو الحمض النووي، لا تزال صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالمجهر الضوئي، وحتى لو تم تمييزها بالألوان، فإن الباحثين ما زالوا يرون فقط مجموعات من الجزيئات، وليس جزيئات مفردة. لم يجعل اكتشاف مورنر من الممكن مراقبة مثل هذه الجزيئات، لكنه جعل من الممكن تتبعها من خلال امتصاص الضوء. انتقل مورنر من معهد أبحاث آي بي إم إلى جامعة سان دييغو، حيث واصل أبحاثه، وانخرط في دراسة البروتين الفلوري الأخضر (البروتين الفلوري الأخضر، أو GFP للاختصار) الذي تم عزله قبل بضع سنوات. من قنديل البحر. واكتشف أن نوعًا من هذا البروتين يمكن إيقاف تشغيله وتشغيله استجابة لضوء ذو طول موجي معين. تم نشر إمكانية تشغيل وإيقاف جزيء واحد باستخدام الضوء في عام 1989، وكان حل المشكلة نشره إريك بيتزيج قبل عامين.

ادوات عمل

ولد إريك بيتزيج عام 1960 في آن هاربور (ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية) وحصل أيضًا على درجة الدكتوراه في جامعة كورنيل وعمره 28 عامًا. ثم انخرط في الأبحاث البصرية في مختبرات بيل وكان يبحث أيضًا عن طريقة للتحايل على معادلة آبي، لكنه في عام 1995 يئس من جهوده واستقال. وكان آخر مقال نشره قبل مغادرته الأكاديمية تناول فكرة نظرية طرأت على ذهنه خلال مسيرة رياضية. يعتقد بيتزج أنه إذا كان من الممكن التحكم في انبعاث الضوء للجزيئات المفردة، فسيكون من الممكن تحقيق فصل أعلى مما هو ممكن وفقًا لقانون آبي. تعمل الفكرة على النحو التالي: يتم ملاحظة مجهر مضان على عينة تحتوي على جزيئات تبعث الضوء بأطوال موجية مختلفة، ومن الممكن تنشيط كل منها على حدة. عندما نقوم، على سبيل المثال، بتنشيط جميع الجزيئات التي ينبعث منها الضوء الأخضر، فإننا نعلم أن البقعة ليست سوى جزيء واحد، مما يسمح للكمبيوتر بتحديد موضعه بدقة كبيرة (إذا لم نكن نعرف أنه جزيء واحد، إن فصل المجهر العادي لن يسمح لنا بتحديد ذلك). بعد ذلك، يتم فحص الأطوال الموجية المختلفة، وأخيراً يتم وضع جميع الصور التي تم الحصول عليها فوق بعضها البعض، ويعطينا التداخل صورة بدقة أعلى من تلك الموجودة بالمجهر الضوئي العادي. أجرى بيتزيج جميع الحسابات، ونشرها في مجلة علمية لدراسة البصريات، وكتب خطاب استقالته وذهب للعمل في شركة والده، وهي شركة لتصنيع الأدوات في ميشيغان.

أداة البحث

وبعد سنوات قليلة في عالم الأعمال، عادت العلة العلمية إلى بيتسيج. وعاد لتصفح المقالات العلمية على الإنترنت، معظمها أثناء إبحاره على مهل في البحيرة القريبة من منزله. عندما صادف المقالات المتعلقة ببروتينات مورنر المضيئة، اعتقد أن مثل هذه البروتينات قد تكون الحل العملي للمشكلة النظرية التي طورها. وفي عام 2005 قرر محاولة تطوير الاختراع بطريقة عملية، وانضم إلى معهد هوارد هيوز للأبحاث في فرجينيا. لقد اقترب من المركبة بقوة كبيرة، وبعد عام أثبت بالفعل صحة فكرته، عندما أظهر أن تداخل العديد من الصور التي تم الحصول عليها من تصوير جزيئات ذات ألوان مختلفة، تنبعث منها أطوال موجية مختلفة، يجعل من الممكن بالفعل الحصول عليها في المجهر الضوئي دقة أعلى من الحد، ورؤية حتى الأجسام الأصغر من 200 نانومتر. وبطبيعة الحال، ليست هناك حاجة للقيام بالتداخل يدويًا - فالكمبيوتر والكاميرا المتصلان بالمجهر يقومان بالمهمة تلقائيًا. نُشرت ورقة بيتزج في مجلة ساينس عام 2006، وقدمت طريقة إضافية لتلك التي طورتها شركة هيل للتحايل على القيود التي وضعها آبي قبل أكثر من 130 عامًا.

مهدت الأدوات البحثية التي طورها هيل ومورنر وزيغ الطريق لملاحظة جديدة لمواد أصغر بكثير مما استطاع المجهر الضوئي رؤيته من قبل، أو كما عرفتها لجنة جائزة نوبل، فقد حولوا المجهر إلى مجهر نانوي. على الرغم من أنها أجسام أكبر من تلك التي يمكن رؤيتها بالمجهر الإلكتروني، إلا أن الميزة الكبرى لأساليبها هي إمكانية مراقبة المادة الحية: متابعة حركة المواد داخل الخلية، والتحقق من الجزيئات التي ترتبط بمكانها، ورصدها. حاول فك رموز العمليات الضرورية لفهم الحياة. وبفضل هذه الأساليب، أصبح العلماء قادرين على فهم عمليات المرض بشكل أفضل، ومحاولة فحص تأثير الأدوية المختلفة، وفك رموز سلسلة عمل البروتينات المختلفة، التي تحرك جميع العمليات في الخلية الحية. إنها مسألة وقت فقط قبل أن تفوز الأبحاث القائمة على هذه الأساليب أيضًا بجوائز نوبل.

* الشكر للدكتور يارون برومبرج والدكتور يائيل كليسمان والدكتور رينات نيبو على التنوير المهني. إذا كانت لا تزال هناك أخطاء في المقال، فهي ملكي وحدي.

للحصول على الأخبار الأولية عن الفوز