החוקרים, שני אמריקנים וגרמני פיתחו שיטות שונות להכנת דגימה לבדיקה בצורה כזו שהמיקרוסקופ יוכל להרכיב בחזרה תמונה ברזולוציה גבוהה של העצם הנבדק, בשורה לתחום הננוטכנולוגיה והביולוגיה המולקולרית
פרס נובל לכימיה לשנת 2014 הוענק לשלושה חוקרים: אריק בטזיג מקריית המחקר Janelia Farm, המכון הרפואי האווארד יוז, אשבורן, וירג’יניה, ארה”ב; סטפן הל מכון מקס פלנק לכימיה ביופיזיקאלית, גטינגן והמרכז הגרמני למחקר הסרטן,הידלברג, גרמניה; וויליאם מורנר מאוניברסיטת סטנפורד, סטנפורד, קליפורניה, ארה”ב “על הפיתוח של מיקרוסקופיה פלואורסנטית בעלת כושר-הפרדה גבוה”
במשך תקופה ארוכה המיקרוסקופ האופטי החזיק במגבלה בלתי מפוצחת: לעולם לא ניתן יהיה לקבל כושר הפרדה טוב יותר מאשר מחצית אורך הגל של האור. בעזרתן של מולקולות פלואורסנטיות, חתני פרס הנובל לכימיה לשנת 2014 התגברו באופן גאוני על המגבלה הזו. עבודתם פורצת הדרך קידמה את מיקרוסקופ האור לעידן הננו.
במה שנודע להיות כננו-סקופיה, מדענים יכולים כיום לראות את המסלולים של מולקולות נפרדות בתוך תאים חיים – הם יכולים לראות כיצד מולקולות יוצרות סינפסות בין תאי עצב במוח; הם יכולים לעקוב אחר חלבונים המעורבים בהתפתחותה של מחלת אלצהיימר, פרקינסון והנטינגטון ברגע שאלו מתחילים ליצור צברים; הם יכולים לעקוב אחר החלבונים בביצים מופרות ברגע שאלו מתחילות להתחלק ולהפוך לעובר.
זה כלל לא היה ברור מאליו שמדענים יוכלו ביום מהימים לחקור תאים חיים בפרוט המולקולארי הקטן ביותר. בשנת 1873, מומחה המיקרוסקופיה הגרמני ארנסט אבה חזה מגבלה פיזיקאלית עבור כושר ההפרדה המרבי של מיקרוסקופיה אופטית רגילה: הוא לעולם לא יהיה טוב יותר מאשר 0.2 מיקרומטרים. שלושת החוקרים זכו בפרס השנה בזכות ההתגברות על מגבלה זו. בזכות ההישגים שלהם המיקרוסקופ האופטי נכנס עתה לעולם הננומטרי.
הזכייה מוענקת עבור שני עקרונות נפרדים. אחד על השיטה של מיקרוסקופיה מומרצת פליטה-דלדול (stimulated emission depletion microscopy) שפותחה ע”י פרופסור סטפן היל בשנת 2000. בשיטה זו נעשה שימוש בשתי אלומות לייזר – אחת גורמת למולקולות פלואורסנטיות לזהור, ושנייה המבטלת את כל הפלואורסנטיות למעט זו שבגודל הננומטרי. סריקת הדגימה, ננומטר אחר ננומטר, מולידה תמונה בעלת כושר הפרדה הגבוה מזה שנחזה ע”י אבה.
אריק בטזיג וויליאם מורנר, בעובדם בנפרד, הניחו את היסודות לשיטה השנייה, מיקרוסקופיה של מולקולה בודדת (single-molecule microscopy). השיטה מסתמכת על האפשרות להפעיל את הפלואורסנטיות של מולקולות פרטניות באופן ממותג – כבויה ודלוקה. מדענים מבצעים דימות של השטח מספר פעמים, תוך שהם מאפשרים רק לחלק מהמולקולות לזהור כל פעם. הנחת התמונות המתקבלות אחת על גביי השנייה מולידה תמונת-על דחוסה בעלת כושר הפרדה ברמה הננומטרית. בשנת 2006 בטזיג ניצל את השיטה לראשונה אי-פעם.
היום, שיטת הננו-סקופיה רווחת בעולם המדעי כולו ומספקת ידע חדש בעל תרומה גדולה לאנושות, זאת מדי יום.
יו”ר ועדת פרס נובל לכימיה, פרופ’ מונס ארנברג מסביר בהמשך לשאלת כתבת שבדית מהי סופר רזולוציה?
“סופר רזולוציה מתייחס לגבול אבה (ארנסט קרל אַבֶּה (Abbe, 1840-1905), בשנת 1876 לפיו לא ניתן יהיה להגיע לרזולוציה יותר גדולה מחצי אורך הגל של האור בו נעשה שימוש. השיטות שפותחו בידי שלושת הזוכים הראו שניתן לחצות את הגבול הזה, ולא עד גבול חדש אלא ניתן להתקדם לכל רזולוציה שרוצים. זה לא ישים בכל מערכת משום שצריך לעשות פעולות על הדגימה, למשל צריך לעשות אותה פלורוסנטית אבל אם ההכנה מתאפשרת, הגבול הפיסי נמצא הרחק למטה וזה אומר שאנו יכולים לצפות בעצמים יותר ויותר קטנים.”
אילו עולמות חדשים ניתן לראות במיקרוסקופ החדש?
“הדרך הקלה להבין זאת היא להזכר למה שימש המיקרוסקופ מתחילתו. התמונה הראשונה שצויירה בעקבות צפיה במיקרוסקופ היתה של מיקרוביולוגיה. מכיוון שאנו יכולים לראות מאקרו מולקולות אינדבידואליות נעות בתוך תא חי אנחנו יכולים לחקור את הכימיה ברמה של מולקולה בודדת וכפי שהיא מתנהגת בחיים האמיתיים. הדבר חשוב מאוד בכימיה כי כימיה בצורה המסורתית שלה דיברה על צפיה במספר גדול של מולקולות. כעת אנו יכולים לצפות במולקולה בודדת בעת פעולתה במערכת כימית. ניתן לחקור את הריאקציות בעת התרחשותן ולא רק לראות את התוצאה הסופית. הדבר פותח אפשרויות חדשות לכימיה ולביוכימיה. ”
“הפרס נוגע בכל התחומים שבהם מוענקים פרסי נובל מדעיים. יש לו פוטנציאל גדול ברפואה, זה פרס שיש לו היבט פיסי וכמובן שימוש בכימיה. זה אחד הפרסים המטשטש את הגבולות בין התחומים.”
איך הפיתוח הזה נבדל ממיקרוסקופים אחרים בעלי רזולוציה גבוהה, הרי יש מיקרוסוקפ אלקטרונים?
“ההבדל הוא שמיקרוסקופ אור גורם פחות נזק לדגימה. אם אתה רוצה לצפות בתא במיקרוסקופית אלקטרונים. ראשית צריך לחתוך אותה לפרוסות כי האלקטרונים יכולים לחדור דרך שכבה דקה של חומר. משמעות הדבר היא שהתא מת, ואנו צופים בו בעת מותו שכבה אחר שכבה כדי לראות את חלקו הפנימי. משמעות הדבר היא שאיננו יכולים לראות את הדינמיקה ואיננו יכולים לחקור תהליכים פנימיים. למדנו המון ממיקרוסקופית אלקטרונים, זה כלי פנטסטי אבל אנו רוצים גם שתהיה לנו אפשרות לצפות בתאים חיים.”
