كيف دراسة مخلوقات تلألؤ بيولوجي هو تحويل العلوم الطبية

دراسة تلألؤ بيولوجي وكيمياء ضوئية – كيمياء الضوء – عندما اكتشف هو وفريق من الباحثين Neoceroplatus betaryiensis ، وهو نوع جديد من نبات الفطر وأول حشرة في أمريكا الجنوبية تنبعث منها الضوء الأزرق.

يقول ستيفاني: “إنه اكتشاف مهم لمجالات علم الحشرات ، البيئة ، التلألؤ الحيوي والتطور”.

تتوهج يرقات الأنواع المكتشفة حديثًا من ذبابة البعوض باللون الأزرق ، وهي أول حشرة موجودة في أمريكا الجنوبية تتوهج باللون الأزرق. (هنريك دومينغوس / IPBIO ، البرازيل)

يرقات مخلوق الطيران الصغير ، عالقة على أغصان وجذوع الأشجار الحرجية بفضل حريرها المخفي ، متوهجة من قممها وقيعانها ، مع ضوء واحد في الجزء الأخير من البطن واثنين آخرين على جانبي صدريهم الأول الجزء ، فقط تحت رؤوسهم.

لا يزال سبب توهج البعوض لغزًا ، لكن الباحثين يأملون أن يستمر ضوءه في مساعدتهم على إنقاذ الأرواح.

يأتي تلألؤ بيولوجي في مجموعة من الخضر والأحمر والبلوز ، وهو ناتج عن بروتين يدعى لوسيفيرين ، غالبًا ما يوجد في الحيوانات البحرية والفطر والحشرات والطحالب وأنواع محددة من البكتيريا. في عام 2008 ، حصل ثلاثة علماء على جائزة نوبل في الكيمياء عن أعمالهم في مجال تلألؤ بيولوجي. اكتشفوا البروتين الفلوري الأخضر (GFP) وطوروه وعدلوه وراثياً ، مما يجعل من الممكن للحيوانات التي لا تتوهج بشكل طبيعي إنتاج ضوءها. فتح العمل الباب أمام عدد من التطبيقات العلمية ، بما في ذلك تقدم البحوث الطبية الرائدة.

يستخدم GFP الآن كأداة هامة لوضع العلامات في العلوم البيولوجية ويمكن إرفاقه بالبروتينات غير المرئية بطريقة أخرى ، مما يسمح للباحثين بفهم أفضل تلف الخلايا في مرض الزهايمر وأمراض الجهاز العصبي الأخرى ، وتحسين اكتشاف جلطات الدم ، وتتبع انتشار فيروس نقص المناعة البشرية ومسار انتقاله ، وحتى محاربة السرطان.

يقول ثيودوسيس ثيودوسيو ، الباحث البارز بمعهد أبحاث السرطان في مستشفى جامعة أوسلو الذي يستخدم التلألؤ البيولوجي لتطوير علاجات جديدة محتملة: “يجب أن نأخذ في العلم أمثلة أكثر من الطبيعة”. “الطبيعة تخلق أنظمة لا تستطيع تكنولوجياتنا إنشاؤها. عندما نرى الأنواع التي تخلق الضوء وتفعله كيميائيًا ، فهذا أمر رائع. إنه مصدر إلهام. الشيء الوحيد الذي يمكننا القيام به حتى الآن هو استعارة هذه الأنظمة من الطبيعة ، وترجمتها إلى أنظمتنا ، وأبحاثنا واحتياجاتنا. ”

في دراسة أجريت عام 2012 في مجلة BMC cancer ، استخدم العلماء البروتين الفلوري الأخضر (GFP) لتتبع خلايا سرطان الثدي لدى الفئران. تلقت الفئران نفسها GFP ، في حين تم إضاءة الخلايا السرطانية مع dsRed ، وهو بروتين الفلورسنت الأحمر. تُظهر هذه الصورة الفئران التي تعبر عن GFP بجوار الماوس العادي. (Moen et al. / GMC Cancer 12.21.2012)

كان ثيودوسيو يعمل منذ فترة طويلة على العلاج الديناميكي الضوئي (PDT) ، وهو علاج للسرطان يستخدم رشقات من ضوء الليزر لمهاجمة الأورام القريبة من سطح الجلد. لكن لا يمكن استخدام PDT لعلاج السرطان الخفي في عمق الجسم. لذلك استخدم ثيودوسيو نفس الجزيئات التي تولد ضوء اليراع – وهج أصفر – أخضر لتطوير التدمير الناشط للتلألؤ البيولوجي للسرطان (BLADe) ، وهي طريقة تتيح لمصدر الضوء أن يأتي من داخل الخلايا السرطانية بدلاً من الليزر الخارجي.

بعد أن يتم علاج الخلية السرطانية بواسطة محساس ضوئي – وهو جزيء يسبب تغيراً كيميائياً في جزيئات أخرى بعد حقنه في مجرى الدم – يؤدي الضوء إلى تدمير السرطان. تقنية BLADe ، التي تفجر الخلايا السرطانية بالضوء من الداخل ، تجعلها تتسبب في التدمير الذاتي ، بغض النظر عن مدى عمق السرطان أو مدى انتشاره.

حدد ثيودوسيو وفريقه الآن محولات ضوئية يمكن تكييفها لبحوثهم ، مما يسمح لهم باستخدام ليس فقط GFP لمهاجمة الخلايا السرطانية ، ولكن أيضًا الضوء الأزرق – مثل ذلك الذي اكتشفه ستيفاني وفريقه مؤخرًا في يرقات الفطر على يرقات الفطر أرض الغابات في البرازيل.

لم يكن الضوء الأزرق يستخدم سابقًا في التجارب السريرية الخاصة بـ PDT لأنه لم يكن قادرًا على اختراق الأنسجة بعمق كافٍ. الآن وبعد أن تلألأ بيولوجيًا هذا الضوء داخل الخلايا السرطانية ، يمكن استخدام محسس ضوئي قوي يتم تنشيطه فقط بواسطة الضوء الأزرق لإنشاء أداة جديدة لتدمير السرطان ، ويعمل ثيودوسيو وفريقه بالفعل على مثل هذه الأداة.

“عندما نخلق الضوء من الداخل ، لا يلزم نقل أي نسيج ؛ هذا هو جمالها “، كما يقول. “نحن لا نهتم إذا كان الضوء أزرق أو أصفر أخضر – كما هو الحال في BLADe حتى الآن – أو أحمر. نحن نهتم بأن المحسس الضوئي هو الأكثر فعالية. ”

البروتين الفلوري الأخضر (GFP) المستخدم لإلقاء الضوء على نواة خلية سرطان العظام. باستخدام المجهر ثنائي الألوان (الصورة الصحيحة) ، يمكن للعلماء حل عشرات الآلاف من الجزيئات. ( آندي نستله عبر ويكيميكومون تحت CC BY-SA 3.0 )

بالنسبة لتوماس ج. هوب ، الذي كان رائدًا في استخدام مناهج بيولوجيا الخلية لدراسة فيروس نقص المناعة البشرية في مختبره بجامعة نورث وسترن ، فإن كفاءة التحسس الضوئي نفسها هي مفتاح العلاجات الجديدة الممكنة. دفعه بحثه في مسار انتقال فيروس نقص المناعة البشرية وكيف يتفاعل الفيروس مع الخلايا الأخرى في الجسم إلى استخدام تلألؤ بيولوجي من كل من اليراعات والروبيان لتمييز وتتبع SIV ، وهو فيروس مشابه ينتقل في قرود المكاك.

من خلال وضع علامة على خلايا الفيروس مع البروتينات ذات اللمعان الحيوي ، جعل Hope من الممكن العثور بسرعة على قطع صغيرة من الأنسجة ، يبلغ حجمها في بعض الأحيان مجرد 1 مم 2 ، حيث يمر SIV أو فيروس نقص المناعة البشرية ومهاجمة خلايا أخرى. ثم يمكن دراسة هذه التفاعلات بتفصيل أكبر من أي وقت مضى.

“إنها الإبرة في مشكلة كومة قش” ، كما يقول. “إذا كنت بحاجة إلى العثور على إبرة في كومة قش ، كيف يمكنك أن تفعل ذلك؟ إذا تمكنت من توهجها باستخدام لوسيفريز ، فسيكون ذلك أسهل بكثير. “

قبل أن يساعد تلألؤ بيولوجي الباحثين في فيروس نقص المناعة البشرية مثل الأمل في تعقب الفيروس ، تم القيام بعمل مماثل باستخدام مواد مشعة ، لكن التقنية كانت أكثر تكلفة بكثير وأقل أمانًا بكثير. تعتبر الكرياتيراز (الإنزيمات المسببة للتألق الحيوي) أكثر حساسية وأكثر قابلية للاستخدام في المختبر ، وتتطلب احتياطات أقل من العمل مع النشاط الإشعاعي. الآن ، أصبح فريق الأمل وفريقه قادرين على إجراء اختبارات على الحيوانات الحية ، وهو أمر لم يكن ممكنًا باستخدام المواد المشعة.

يقول عن اكتشاف اللون الأزرق: “لقد أعطانا حقًا أداة جديدة تمامًا ، وأنا متحمس لرؤية خصائص هذا اللوسيفيراز الجديد حتى نتمكن من رؤية أين يمكن أن يملأ الفراغ بما لدينا حاليًا”. الفطر الباعث للضوء. “ربما سيكون لها بعض الخصائص الدقيقة للغاية التي يمكن أن تفتح بعض مجالات البحث الجديدة.”