लेज़र-बेस्ड इनोवेशन से इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप उन बायोलॉजिकल स्ट्रक्चर को दिखा सकेंगे जो लंबे समय से उनकी पहुंच से बाहर रहे हैं।

ज़्यादातर इंसानी प्रोटीन आज के सबसे पावरफ़ुल बायोलॉजिकल माइक्रोस्कोप से भी साफ़ तौर पर देखने के लिए बहुत छोटे होते हैं। UC बर्कले के फ़िज़िसिस्ट का बनाया एक लेज़र सिस्टम उनमें से कई को देखने में मदद कर सकता है।

रिसर्चर्स ने फेज़ कंट्रास्ट, जो लगभग एक सदी पुराना इमेजिंग तरीका है, को क्रायोइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो-EM) के लिए अपनाया। उनकी लेज़र फेज़ प्लेट, इलेक्ट्रॉन बीम की इंटेंसिटी को ज़्यादा कम किए बिना, उसके फेज़ को बदलकर कंट्रास्ट को बेहतर बनाती है।

यह तरक्की क्रायोइलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी (क्रायो-ET) को भी मज़बूत कर सकती है, जो अलग-अलग एंगल से ली गई इमेज को मिलाकर सेल्स के अंदर मॉलिक्यूल्स को फिर से बनाती है।

छोटे प्रोटीन का पता लगाना

UC बर्कले में फिजिक्स के प्रोफेसर और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में फैकल्टी साइंटिस्ट होल्गर मुलर, जिन्होंने इस डेवलपमेंट की कोशिश को लीड किया, ने कहा, “क्रायो-EM बायोलॉजिकल मैक्रोमॉलिक्यूल्स के स्ट्रक्चर को समझने का नया और सबसे तेज़ी से बढ़ने वाला तरीका बन गया है, और क्रायो-ET से यह दिखाने की उम्मीद है कि ये मॉलिक्यूल्स अपने नेचुरल, सेलुलर कॉन्टेक्स्ट में एक साथ कैसे काम करते हैं।” “लेकिन सिग्नल-टू-नॉइज़ लिमिटेशन्स की वजह से, ज़्यादातर इंसान और जानवरों के प्रोटीन इतने छोटे होते हैं कि इन तरीकों से उनका एनालिसिस नहीं किया जा सकता। इस लेज़र फेज़ प्लेट से मिलने वाले सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो में बढ़ोतरी से इन ज़रूरी लिमिटेशन्स को दूर करने की उम्मीद है।”

यह सिस्टम इलेक्ट्रॉन बीम को बदलने के लिए बहुत तेज़ फोकस्ड कंटीन्यूअस-वेव लेज़र का इस्तेमाल करता है। इस बदलाव से हीमोग्लोबिन जैसे छोटे मॉलिक्यूल्स को पहचानना आसान हो जाता है और सेल्स के अंदर भीड़ वाली बनावट को बेहतर तरीके से देखा जा सकता है।

कैलिफ़ोर्निया के रेडवुड सिटी में बायोहब में इमेजिंग की फाउंडिंग टेक्निकल डायरेक्टर ब्रिजेट कैरागर ने कहा, “क्रायो-ET से, हम छोटे, बहुत कॉम्प्लेक्स सेलुलर मटीरियल को देख रहे हैं जो सेल के अंदर बहुत ज़्यादा भरा हुआ है।” “यह पेड़ों के जंगल जैसा है, और आप वहां एक पेड़ पर एक पत्ता ढूंढने की कोशिश कर रहे हैं। क्रायो-ET को इसके उलट एक बड़ा कदम आगे बढ़ाने की ज़रूरत है, ताकि हम यह देखना शुरू कर सकें कि सेल के अंदर क्या हो रहा है। लेज़र फेज़ प्लेट हमें यही देने का वादा करती है।”

थिया का निर्माण

बायोहब ने एक कस्टमाइज़्ड थर्मो फिशर क्रियोस माइक्रोस्कोप को फंड किया, जिसे मुलर ने लेज़र फेज़ प्लेट से लैस किया। उन्होंने इस इंस्ट्रूमेंट का नाम रोशनी से जुड़ी प्राचीन ग्रीक टाइटनेस के नाम पर थिया रखा।

बायोहब एक दूसरा माइक्रोस्कोप बना रहा है जो कम पावर पर दो परपेंडिकुलर लेज़र का इस्तेमाल करता है। इस डिज़ाइन का मकसद ऑप्टिकल डिस्टॉर्शन को कम करना और पार्ट्स को नुकसान से बचाना है।

मुलर ने कहा, “थिया फ़ॉर्मूला 1 माइक्रोस्कोप है।” “इसमें एक्स्ट्रा इलेक्ट्रॉन ऑप्टिक्स हैं जो इसे बिना लेज़र के भी स्टैंडर्ड क्रायो-EM से बेहतर रिज़ॉल्यूशन देते हैं। लेज़र फ़ेज़ प्लेट के जुड़ने से, हमें उम्मीद है कि यह सच में दुनिया का सबसे अच्छा इंस्ट्रूमेंट बन जाएगा।”

एक सदी पुराने विचार पर फिर से काम किया गया

फेज़ कॉन्ट्रास्ट को 1930 में डच फिजिसिस्ट फ्रिट्स ज़र्निके ने डेवलप किया था। उन्होंने पाया कि बायोलॉजिकल मटीरियल से गुज़रने वाली लाइट न सिर्फ चमक में बल्कि फेज़ में भी बदलती है।

बिना बिखरी रोशनी को 90 डिग्री तक शिफ्ट करके, फेज़ कंट्रास्ट लगभग न दिखने वाले अंतरों को चमक में बदलाव में बदल देता है। इस तरीके से ट्रांसपेरेंट सेलुलर स्ट्रक्चर को बिना धुंधला किए देखना आसान हो गया। ज़र्निके को इस खोज के लिए 1953 में फ़िज़िक्स का नोबेल प्राइज़ मिला ।

वैज्ञानिकों ने जल्द ही यही सिद्धांत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप पर लागू करने की कोशिश की, लेकिन शुरुआती फेज़ प्लेट्स ने बीम को कमज़ोर कर दिया, रिज़ॉल्यूशन कम कर दिया, या अनस्टेबल इमेज बना दीं।

2010 में, मुलर और क्रायो-EM के पायनियर रॉबर्ट ग्लेसर ने इसके बजाय एक इंटेंस लेज़र इस्तेमाल करने का सुझाव दिया ।

पंद्रह वर्षों का विकास

मुलर ने इस कॉन्सेप्ट को काम करने वाले इंस्ट्रूमेंट में बदलने में 15 साल लगाए। उनकी टीम ने एक गोल शीशे वाली कैविटी के अंदर एक लेज़र ट्रैप किया, जहाँ लाइट 10,000 से ज़्यादा बार रिफ्लेक्ट होती है और एक छोटे से एरिया में कंसंट्रेट हो जाती है।

मुलर ने कहा, “यह 75 किलोवाट का है जो कुछ माइक्रोन पर फोकस करता है।” “यह वेल्डिंग के लिए इस्तेमाल होने वाले लेजर से ज़्यादा पावरफुल है। यह मिलिट्री लेजर से भी ज़्यादा पावरफुल है। यह अब तक का सबसे चमकदार लगातार लेजर फोकस बनाता है।”

छह बायोलॉजिकल सैंपल पर किए गए टेस्ट से पता चला कि लेज़र ने छोटे या मुश्किल सैंपल के लिए सबसे ज़्यादा सुधार किया।

मुलर ने कहा, "सबसे चुनौतीपूर्ण मामलों में - छोटे कण, खराब नमूने - लेजर बहुत बड़ा लाभ प्रदान करता है।"

रिसर्चर्स ने इस सिस्टम को एल्डोलेज़ पर टेस्ट किया। एल्डोलेज़ एक मसल प्रोटीन है जिसकी क्रायो-EM पहले से ही काफी अच्छी इमेज बना सकता है, और हीमोग्लोबिन पर भी, जो मौजूदा इंस्ट्रूमेंट्स की निचली लिमिट के पास एक छोटा प्रोटीन है। दोनों इमेज बेहतर हुईं, लेकिन हीमोग्लोबिन को ज़्यादा फ़ायदा हुआ।

वर्तमान सीमाओं से आगे बढ़ना

क्रायो-EM मुश्किल से 70 किलोडाल्टन से छोटे प्रोटीन को तोड़ सकता है, जबकि इस साइज़ से छोटे प्रोटीन, ह्यूमन प्रोटिओम का लगभग 90 परसेंट हिस्सा होते हैं।

लेज़र फ़ेज़ प्लेट से, रिसर्चर अब 50 किलोडाल्टन जितने छोटे प्रोटीन की भी इमेज बना सकते हैं, हालांकि ऐसा करना अभी भी मुश्किल है। मुलर को उम्मीद है कि भविष्य में सुधार से यह लिमिट 17 किलोडाल्टन (प्रोटीन मायोग्लोबिन का साइज़) तक कम हो जाएगी।

एक फोकस्ड इलेक्ट्रॉन बीम कंट्रास्ट और सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो में दोगुना सुधार दे सकता है।

बायोहब की इमेजिंग साइंस की वाइस प्रेसिडेंट स्टेफनी ओट्टे ने कहा, “यह टेक्नोलॉजी बायोलॉजी के लिए एक स्टेप फंक्शन चेंज है।” “हम पहली बार यह देख पाएंगे कि जीवित सेल के अंदर मॉलिक्यूलर मशीनें कैसे काम करती हैं। जो कभी दिखाई नहीं देता था, वह दिखाई देगा — और इससे बीमारी को समझने के हमारे तरीके में सब कुछ बदल जाएगा।”