«Κάνουμε ένα ταξίδι στο νανόκοσμο». Μια συνέντευξη με το Νομπελίστα William E. Moerner

Πέμπτη, 20 Ιουλίου 2017 21:23
UPD:21:24
Rolf Schultes

Της Βάσως Μιχοπούλου

Γενιές και γενιές φοιτητών της Φυσικής μάθαιναν μέχρι πρότινος ότι το όριο ανάλυσης των οπτικών μικροσκοπίων είναι περίπου το μισό μήκος κύματος του πράσινου φωτός, περίπου 200 νανόμετρα. Ο Γερμανός φυσικός Ernst Abbe είχε περιγράψει αυτό το όριο περίθλασης ήδη από το 1873 (Abbe diffraction limit). Αλλά ο William E. Moerner από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ  των ΗΠΑ δεν μπόρεσε να αποδεχτεί αυτόν τον περιορισμό. Μάλιστα, χωρίς να τον ακυρώσει, κατάφερε να τον παρακάμψει με έξυπνο τρόπο και να φτάσει την οπτική μικροσκοπία στα όρια των νανοδιαστάσεων, μετατρέποντάς τη σε νανοσκοπία. Θεωρητικά δεν υπάρχει μικρότερη δομή που μπορεί να μελετηθεί. Αυτή η ανάπτυξη μικροσκοπίας φθορισμού υψηλής ανάλυσης που μπορεί να επεξεργαστεί πλέον το νανόκοσμο χάρισε το βραβείο Νομπέλ Χημείας στον ίδιο, αλλά και στους Eric Betzig του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes των ΗΠΑ και Stefan W.Hell του Ινστιτούτου Βιοφυσικής Χημείας Max Planck στη Γερμανία, το 2014.

CHRISTIAN FLEMMING/LINDAU NOBEL LAUREATES

Τελικά, αυτή η «ανυπακοή» σε καθιερωμένα επιστημονικά θεωρήματα, που γενικά φαντάζει οδυνηρή, απέφερε στους τρείς επιστήμονες ένα βραβείο Νομπέλ, σκέφτομαι διαβάζοντας το ενημερωτικό υλικό που έχει δοθεί στους δημοσιογράφους, λίγο πριν μπει στην μεγάλη αίθουσα του Stadttheater στο Λιντάου, ο Νομπελίστας William E. Moerner. Μεταφέρει το μήνυμα  του επίσης Νομπελίστα και τέως υπουργού Ενέργειας των ΗΠΑ, Steven Chu για την κλιματική αλλαγή για να ανοίξει το 67ο Lindau Nobel Lauretaes Metting, τον ετήσιο θεσμό συνάντησης Νομπελιστών με νέους ερευνητές από όλο τον κόσμο, που φέτος έλαβε χώρα στο Βαυαρικό νησί Λιντάου το πενθήμερο από τις 25-30 Ιουνίου.

CHRISTIAN FLEMMING/LINDAU NOBEL LAUREATES
Ξεπερνώντας τα όρια

Το 1989 όταν ο Νομπελίστας William E. Moerner ξεκινούσε την έρευνά του με τη χρήση απλών μικροσκοπίων  και την παρατήρηση μεμονωμένων μορίων δε σκεφτόταν καν την υψηλή ανάλυση. Έχοντας εμπειρία ως Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και μελετώντας μόρια ως μεταπτυχιακός ερευνητής, βρέθηκε στο εργαστήριο της εταιρείας ΙΒΜ στο Σαν Χοσέ της Καλιφόρνιας να κάνει βιομηχανική έρευνα. Εκεί πέτυχε να μετρήσει πρώτος την οπτική απορρόφηση ενός μόνο μορίου και να εμπνεύσει πολλούς χημικούς να στρέψουν την προσοχή τους σε μεμονωμένα μόρια. Ο ίδιος αρκετά χρόνια αργότερα έκανε το επόμενο καθοριστικό επιστημονικό βήμα θέτοντας τα θεμέλια της μικροσκοπίας ενός μορίου  (Single-Molecule Microscopy, SMM) στηριζόμενος στην ανακάλυψη της πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης GFP από τον Roger Tsien που αργότερα απέσπασε βραβείο Νομπέλ Χημείας (2008). «Διαπιστώσαμε πως  ο φθορισμός μιας παραλλαγής της GFP θα μπορούσε να ελεγχθεί και να ενεργοποιηθεί κατά βούληση. Όταν διεγείραμε  την πρωτεΐνη με φως μήκους κύματος 488 νανομέτρων, εκείνη άρχιζε να  φθορίζει, αλλά να ξεθωριάζει μετά από λίγο. Ανεξάρτητα από την ποσότητα του φωτός που επαναχορηγούσαμε στην πρωτεΐνη, ο φθορισμός ήταν ανενεργός, η πρωτεΐνη δεν ανταποκρινόταν. Αποδείχθηκε, τελικά, ότι το φως μήκους κύματος 488 νανόμετρα ήταν αυτό που μπορούσε να επαναφέρει την πρωτεΐνη στη ζωή. Όταν η πρωτεΐνη επανενεργοποιήθηκε στα 488 νανόμετρα παρουσιάστηκε και ο  φθορισμός», εξηγεί ο επιστήμονας, ο οποίος στη συνέχεια διέλυσε αυτές τις πρωτεΐνες σε ένα τζελ, έτσι ώστε η απόσταση τους να είναι μεγαλύτερο από το όριο περίθλασης των 0,2 μικρομέτρων του Abbe. Παρατήρησε τότε ότι το οπτικό μικροσκόπιο μπορούσε να διακρίνει τη λάμψη από μεμονωμένα μόρια που έμοιαζαν με μικροσκοπικά φαναράκια με διακόπτες. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature το 1997. Η έρευνα περιέγραφε τη δυνατότητα μετατροπής της ικανότητας φθορισμού των μορίων εναλλάξ θετικά και αρνητικά (on and off). Με τη μέθοδο αυτή οι επιστήμονες μπορούσαν να δουν την εικόνα της ίδιας περιοχής  πολυάριθμες φορές, αφήνοντας επιλεκτικά κάποια διάσπαρτα μόρια να φθορίζουν (glow) κάθε φορά. Με την επικάλυψη των εικόνων αυτών μία έντονη υπερ-εικόνα διακρινόταν σε επίπεδο νανοδιαστάσεων. Στη συνέχεια ο ερευνητής ανέπτυξε μια μέθοδο στοχευμένης βιοφυσικής απεικόνισης που ονομάζεται Photo-activated localization microscopy (PALM) χρησιμοποιώντας και άλλες φθορίζουσες πρωτεΐνες για ελεγχόμενη διέγερση με συγκεκριμένο φωτισμό. Η έρευνά του έφερε  μια  «επανάσταση» στην οπτική μικροσκοπία. Ξεκινώντας  από μια υποθετική συνθήκη έφτασε να αποσπάσει την υψηλότερη ακαδημαϊκή τιμή.

CHRISTIAN FLEMMING/LINDAU NOBEL LAUREATES
Παρατήρηση μόριο προς μόριο

Το καινούργιο που περιέγραψε ο Νομπελίστας κατά την εισήγησή του στο Λιντάου είναι μια νέα μέθοδος μικροσκοπίας φθορισμού υψηλής ανάλυσης, το  MINFLUX, που επιτυγχάνει συνήθως ανάλυση 1 nm. Αυτή είναι η τελική χωρική ανάλυση που έχει φυσική σημασία για μια οπτική μέθοδο, επειδή 1 nm είναι το μέγεθος της πηγής φωτονίων, δηλ. η διάμετρος μεμονωμένων μορίων. «Στο MINFLUX, αν μπορούμε να το πούμε έτσι, εκμεταλλευτήκαμε τα πλεονεκτήματα του συνδυασμού του Photo-activated localization microscopy (PALM) και του Stimulated emission depletion microscopy (STED), δηλαδή της μικροσκοπίας εξαναγκασμένης απόσβεσης εκπομπής, σε μια νέα ιδέα. Αυτό το μικροσκόπιο είναι 100 φορές πιο έντονο από τη συμβατική οπτική μικροσκοπία  και ξεπερνά ακόμη και τις καλύτερες μεθόδους μικροσκοπίας φθορισμού υψηλής ανάλυσης που αναπτύχθηκαν μέχρι σήμερα, δηλαδή τη STED. Το MINFLUX θα αποτελέσει τη βάση για μελλοντική απεικόνιση φθορισμού υψηλής ανάλυσης και οπτικό διαχωρισμό  μεμονωμένων μορίων, πολύ κοντά το ένα στο άλλο, μόλις μερικά νανόμετρα, γιατί μας δείχνει με μεγάλη ακρίβεια τον εντοπισμό των μορίων που θέλουμε. Φανταστείτε ένα δάσος τη νύχτα στο οποίο θέλετε να δείτε τα κλαδιά του. Τι μπορείτε να κάνετε; Τοποθετείτε πάνω σε αυτά πυγολαμπίδες κοντά κοντά, αυτές αρχίζουν να εκπέμπουν φως και εσείς με μια νοητή γραμμή τις ενώνετε μεταξύ τους, Έτσι έχετε μια εικόνα της κατασκευής των κλαδιών», εξηγεί ο επιστήμονας. Το STED καθώς και το PALM  στην πράξη επιτυγχάνουν μια ευκρίνεια διαχωρισμού περίπου 20 έως 30 νανομέτρων. Κατά το STED χρησιμοποιούνται δύο ακτίνες λέιζερ, μια που διεγείρει τα φθορίζοντα μόρια ώστε να εκπέμψουν φθορισμό (“να λάμψουν”) και μια που αναστέλλει τον φθορισμό σε όλα τα μόρια εκτός από εκείνα που έχουν όγκο μεγέθους νανομέτρου. Με την σάρωση πάνω από το δείγμα, νανόμετρο προς νανόμετρο, παράγεται μία εξαιρετική εικόνα με υψηλής ευκρίνειας. Όσο μικρότερος είναι ο όγκος που επιτρέπεται να φθορίζει σε μία μόνο στιγμή, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση της τελικής εικόνας. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει, κατ 'αρχήν, κανένα όριο για την ανάλυση των οπτικών μικροσκοπίων. Να θυμίσουμε ότι η μέθοδος STED, η επονομαζόμενη διεγερθείσα μείωση εκπομπών, προτάθηκε από τον Stefan W.Hell το 1994 και για αυτή τη συνεισφορά του μοιράστηκε το βραβείο Νομπέλ την ίδια χρονιά με τον Καθηγητή Moerner.

CHRISTIAN FLEMMING/LINDAU NOBEL LAUREATES

Διαβάζοντας κάποιος τα παραπάνω εύλογα θα αναρωτηθεί πού μπορούν να βρουν εφαρμογή τα παραπάνω. Κι όμως η νανοσκοπία άνοιξε ένα μεγάλο δρόμο προς τη λεπτομερή διερεύνηση του εσωτερικού περιβάλλοντος ζωντανών κυττάρων και των ιστών. Με αυτή μπορούν οι επιστήμονες να ιχνηλατήσουν συγκεκριμένες διαδρομές συγκεκριμένων μορίων και ειδικότερα πρωτεϊνών και να δουν πως αυτά εμπλέκονται στην εκδήλωση σοβαρών νόσων όπως είναι οι ασθένειες Parkinson, Alzheimer και Huntington κ.λπ.

Ο καθηγητής Moerner αυτή τη στιγμή μελετά τη συμπεριφορά 16 γκρουπ διαφορετικών βακτηριακών πρωτεϊνών κατά τη κυτταροδιαίρεση. «Ουσιαστικά διερευνώ την ασυμμετρία στη κίνηση των πρωτεϊνικών μορίων στους δύο βακτηριακούς πόλους». Παράλληλα εργάζεται πάνω στα συσσωματώματα των πρωτεϊνών που εμπλέκονται στη νόσο Huntington καθώς και πάνω στη ροή ρεύματος στα νευρικά κύτταρα μέσω της διάταξης διαύλων νατρίου.

Μήνυμα από τη Σουηδία

Ο Νομπελίστας την ημέρα της βράβευσής του με Νόμπελ παρακολουθούσε μια διάσκεψη στη Βραζιλία και πληροφορήθηκε τα νέα τηλεφωνικά από τη σύζυγό του, ενώ βρισκόταν στο δωμάτιο του ξενοδοχείου του. Η ίδια το είχε πληροφορηθεί από το πρακτορείο Associated press. «Ήταν συγκλονιστικό», περιγράφει και συνεχίζει: «..αλλά ήμουν πολύ μακριά για να ανταποκριθώ στα τηλέφωνα και στα μηνύματα που μου έστελναν φίλοι και γνωστοί. Έκανα κάποιες δηλώσεις μέσω Skype και ανυπομονούσα για την ώρα που θα έπαιρνα το αεροπλάνο του γυρισμού. Μου είχε περάσει από το μυαλό ως ιδέα το Νομπέλ, αλλά δεν το είχα πιστέψει κιόλας. Όταν κάνεις ένα μεγάλο επιστημονικό “άνοιγμα”, όπως είχαμε κάνει εμείς είναι πιθανό και να συμβεί. Είχα καταλάβει από την αρχή την απήχηση που θα είχε η έρευνά μας», διηγείται με τη συστολή του μεγάλου επιστήμονα. Ο Καθηγητής πίσω από ένα γλυκό χαμόγελο και μια ηρεμία κρύβει μια σοβαρότητα και μια σεμνότητα  που δεν σου αφήνει πολλά περιθώρια να περάσεις σε πιο προσωπικό επίπεδο και να  τον ρωτήσεις για τη ζωή του. Σου λέει πως γεννήθηκε στο Pleasanton της Καλιφόρνιας και μεγάλωσε στο Σαν Αντόνιο του Τέξας όπου παρακολούθησε το Γυμνάσιο Thomas Jefferson. Έχει πτυχία Φυσικής, Ηλεκτρολόγου μηχανικού και Μαθηματικών από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σαιντ Λούις, καθώς και Μάστερ και διδακτορικό στη Φυσική από το Πανεπιστήμιο Cornell της Νέας Υόρκης. Σου λέει ακόμη πως εξακολουθεί να θεωρεί τον εαυτό του φοιτητή και συναρπάζεται από το πόσα πολλά πράγματα μαθαίνει κάθε μέρα.

CHRISTIAN FLEMMING/LINDAU NOBEL LAUREATES

Στην ερώτηση αν ξεκινούσε από την αρχή τι θα άλλαζε δυσκολεύεται να απαντήσει γιατί δεν μπορεί να αποφανθεί με σιγουριά σε ποιό επιστημονικό πεδίο βρίσκει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Μπορεί όμως να πει με σιγουριά για την αγάπη του στη Τέχνη που είναι σημαντικό κομμάτι της ζωής του. «Το ενδιαφέρον για τις τέχνες, κυρίως τη μουσική και το θέατρο, που είναι επίσης ένα σημαντικό κομμάτι της ζωής μου ξεκίνησε από τη νεαρή μου ηλικία. Με ευχαριστεί πολύ να ακούω και να σκέφτομαι την αρμονία και τη δομή της μουσικής, καθώς και την εκτέλεση. Με κάποιο τρόπο, αυτό διεγείρει και τον εγκέφαλο μου. Με μια χαλαρωτική και όμορφη μουσική  επικεντρώνομαι σε εργασίες που μπορεί και να αφήσω ημιτελείς. Άλλα μουσικά κομμάτια όπως π.χ. μια περίπλοκη φούγκα με αποσπούν και δεν μπορώ να κάνω κάτι άλλο ταυτόχρονα. Πιθανώς όλη αυτή η απόλαυση προέρχεται από την περίπλοκη δομή και οργάνωση των κλασσικών και αρμονικών μορφών και τις ομοιότητές τους με την οργάνωση της επιστημονικής γνώσης που βασίζεται σε κανόνες», συμπληρώνει ο καθηγητής, ο οποίος μας αποκαλύπτει πως ενώ συνήθιζε να παίζει μουσική και να ερμηνεύει χαρακτήρες σε όπερα όταν φοιτούσε στο κολλέγιο, τώρα πια αρκείται σε χορωδίες γιατί δεν έχει χρόνο για πρόβες.