Sejtjeink élete három dimenzióban

"Ahhoz, hogy megértsük az életet, működés közben kell megfigyelnünk. " –mondja Gokul Upadhyayula bioképalkotó tudós. Levisz bennünket a sejtek szintjére, és ismerteti a munkát, amely az élvonalbeli mikroszkópok létrehozása mögött rejlik. E mikroszkópok három dimenzióban ragadják meg és rögzítik az élő organizmusok sokrétű viselkedését – a terjedő rákos sejtektől a portyázó immunsejtekig – és feltárják a biológia dinamikáját. Figyelje meg, ahogy az élet hihetetlen látványossággal bontakozik ki a szeme előtt.

Ha úgy igyekszünk megérteni az életet,
hogy nem látjuk, amikor zajlik,

az olyan, mintha földönkívüliek próbálnák

képekből megérteni a futball szabályait.

Sokat tanulhatunk ezekből a képekből.

Pl. a játékosok hol pályán vannak,
hol meg azon kívül.

Van egy csapat.

Még pom-pom lányok is vannak,
és nagyszerűen érzik magukat meccs közben.

Persze annak ellenére,

hogy ismeretekre tettünk szert
a képek segítségével,

még nem áll össze a kép bennünk
a játék szabályairól.

Azért, hogy megértsük,

magát a játékot kellene figyelnünk.

Az élet működéséről szerzett
tudásunk java része

ilyen pillanatfelvételek
tanulmányozásából származik.

A tudósok sok ismeretre tettek szert
hasonló fotókat nézve,

de végsősoron ahhoz,
hogy megértsék az élet mibenlétét,

működés közben kellene megfigyelniük azt.

Továbbá lényeges, hogy az élet
alapvető alkotóelemeinek működését

ott próbáljuk megérteni,
ahol az élet zajlik.

Azért, hogy ezt megfigyelhessük,

meg kell értenünk, mi is az az élet.

Egy emberi sejt nagyjából akkora,

mint e hangya százmilliomod része.

Látják a sejtet
közvetlenül a hangya mellett?

Épp ott van.

Ahhoz, hogy láthassuk,

láthatóvá kell tennünk a láthatatlant,

és ezt mikroszkópok építésével érjük el.

Nem ilyen mikroszkópokkal;

amelyeket mi építünk,
valahogy így néznek ki.

Segít, hogy részben
valamiféle lesifotós vagyok.

Ahelyett, hogy embereket fotóznék,

jobban érdekel, hogy ismert sejtekről
készítsek képeket.

Szakmai utam egészen idáig

elég viharos volt.

Első gyermekkori szenvedélyemmel,
a számítástechnikával kezdődött,

ami éles fordulatot vett
a műszaki tudományok irányába,

és legújabban

igen meredek váltással próbálom
megismerni a sejtbiológiát.

A tudományok e kombinációja
vezetett el engem oda,

ahol most tartok,

hogy több területhez kapcsolódó
kutatásokat tudok szervezni

egy meghatározott céllal.

Az elképzelés az, hogy képesek legyünk
további újításokra és felfedezésekre

úgy, hogy együtt dolgozunk a különböző
tudományágakban jártas szakértőkkel,

hogy olyan feladatokat oldhassunk meg,
amelyeket egyedül nem tudnánk.

A sejtet szeretnénk megismerni.

A sejt ... mi is az?

Nos, ez az élet alapvető építőegysége.

Egyszerűen szólva egy csomag.

Egy csomag, amelyben élettelen
molekulák milliárdjai vannak,

fehérjék, szénhidrátok, lipidek vagy zsír.

Kiderült, hogy az elmúlt fél évszázadban

molekuláris biológusok és biokémikusok
módot találtak arra,

hogy ezek a fehérjék fényt bocsássanak ki.

Szentjánosbogárként világítanak.

Mikroszkópfejlesztők

egyre jobb eszközöket készítettek,

hogy észleljék a molekulák által
kibocsátott fényt,

számítógépes szalemberek
és a matematikusok pedig értelmezni tudták

a kamerák által rögzített jeleket.

Az eszközök együttes alkalmazásával

valóban képesek vagyunk megérteni

a molekulák sejten belüli szerveződését,

azt, hogyan változnak folyamatosan,

és alapvetően az érdekel bennünket,

hogy megértsük az élet lényegét.

Szeretnénk képi rögzítés helyett –

ami hagyományosan
két dimenzióra korlátozódik –

három dimenzióban rögzíteni az életet.

Hogyan lesz egy kétdimenziós képből
háromdimenziós?

Mint kiderült, elég egyszerűen.

Gyűjtünk egy sorozat kétdimenziós képet,

miközben fel-le mozgatjuk a mintát,

aztán a képeket egymásra halmozzuk,

és létrehozunk egy háromdimenziósat.

E megközelítéssel az a gond,

hogy a hagyományos mikroszkópok
igen sok energiát juttatnak a rendszerbe.

Ez azt jelenti, hogy ez a sejt,
amit itt látnak,

jelentős fénytúladagolást kap,

és ez gond.

Hadd magyarázzam meg kicsit jobban.

Például ezen a bolygón az élet

egyetlen Nap alatt fejlődött ki, igaz?

Mondjuk, meg szeretném figyelni
a vásárlókat az utcán,

hogy megértsem vásárlói szokásaikat:

mennyi ideig őgyelegnek a kirakatok előtt,

hány áruházba mennek be,

és meddig vannak bent.

Ha csak egy kávézóban ülnék,
és úgy figyelném őket,

többségük még csak észre sem venné.

De mi lenne, ha hirtelen, teszem azt,

olyan öt vagy tíz Nap

fényességével ragyognék fel?

Még mindig úgy viselkednének,
mint rendszerint?

Ugyanannyi ideig sétálgatnának kinn?

Komolyan hihetném, hogy a viselkedésük
nem változott meg azért,

mert olyan sok napfény érte őket?

Nem.

Napjaink mikroszkópjai,

és a hagyományos mikroszkópok

a 10-10 000-szeresét képesek kibocsátani
annak a napsugárzásnak,

amely bolygónkon ér bennünket,
ahol az élet kifejlődött.

És ezért –

nos, kiderül, hogy kicsit
sejt-lesifotós vagyok –

nagyon óvatosnak kell lennünk,

mennyi fényt juttatunk a sejtbe.

Máskülönben talán
egy jól átsütött sejtet kapunk,

és mint láthatjuk,

egyáltalán nem természetes
egy olyan károsodott sejt megfigyelése,

amelynek a viselkedését
jelentősen megváltoztattuk.

Vegyük például ezt a sejtet.

Egy üveglapkán van.

Látják mindenütt a foltokat?

Azok a foltok
molekuláris gépezeteket jeleznek,

amelyek a sejt felszínén
gyűlnek össze azért,

hogy kívülről táplálékot
vigyenek a sejtbe.

Laboratóriumunk
rácsoslemezű fénymikroszkópot használ,

amely ultravékony fénylapokat állít elő,

figyelemmel arra,
hogy ne károsítsuk a sejteket,

vagy ne juttassunk
túl sok fényt a rendszerbe.

Így sokkal tovább tudjuk figyelni

a folyamat dinamikáját anélkül,

hogy megpróbáltatásnak
tennénk ki a sejteket.

Arra használtuk ezt a mikroszkóptechnikát
és az eszközöket,

hogy megértsük, hogyan fertőzik meg
a vírusok a sejteket.

Ebben a példában a sejtet
rotavírusnak tettük ki.

Ez a kórokozó rendkívül fertőző, több mint
200 000 ember halálát okozza évente.

Azzal, hogy figyeljük e molekulákat,
ezeket a vírusrészecskéket,

hogyan terjednek szét a sejt felszínén,

valóban megérthetjük
a rájuk vonatkozó szabályokat.

És ha ezt megértjük,

túljárhatunk az eszükön,

hogy akár fejlett gyógyszeres kezeléssel

képesek legyünk visszafogni,
ellenőrzés alatt tartani a vírust,

vagy még azt is megelőzni,
hogy a sejthez kapcsolódjon.

Láthatóvá tettük a láthatatlant,

de megmaradt a kérdés:

mikor hihetünk abban, amit látunk?

Minden, amit idáig mutattam,
olyan sejtről készült,

amely egy üveglap
vagy egy Petri-csésze foglya.

Mint tudjuk, a sejtek
nem igazán fejlődnek egy üveglapon, igaz?

Nem fejlődnek elszigetelten,

és nem fejlődnek
fiziológiai környezetükön kívül.

Ahhoz, hogy igazán értsük a sejtműködést,

hazai pályán, működés közben
kell megfigyelnünk őket.

Vessünk hát egy pillantást
erre az összetett rendszerre.

Ez egy fejlődő zebrahal-embrió,

ahol azokat a sejteket látjuk,

amelyek épp szövetekké
és szervrendszerekké szerveződnek.

Amikor újra megnézzük a felvételt, látjuk,

hogy nagyjából húsz óra alatt
formálódni kezd a zebrahal szeme és farka.

Nemcsak ilyen alacsony felbontásban
figyelhetjük ezt meg,

hanem rendkívüli részletességgel is,

és azt szeretnénk,
ha három dimenzióban is tudnánk nézni,

másodperceken, perceken,
órákon vagy akár napokon át.

Az a gond ezekkel
az összetett rendszerekkel,

hogy szétszórják a fényt,

vagy ők térítik el a rájuk szórt fényt,

ami elmosódott képeket eredményez.

A csillagászok hasonló gondokkal küzdenek,

de náluk a probléma akkor jelentkezik,

amikor távoli csillagok fényét
próbálják rögzíteni

földi távcsövekkel.

Az történik, hogy a több ezer
fényéven át utazó fény

hirtelen belép kavargó légkörünkbe,

ami szétszórja a fényt.

Szerencsére ők is találtak megoldást erre

az elmúlt ötven évben;

mesterséges csillagot hoznak létre

nagyjából 90 km magasságban
a földfelszín felett,

és annak fényét használják,

ami ugyanazon a kavargó légkörön halad át,

így meg tudják határozni
a fényszóródás mértékét,

és egy tükörrel, ami képes
változtatni az alakját,

ellensúlyozzák vagy semlegesítik.

Felhasználtuk ezeket az ötleteket,

és beépítettük mikroszkóprendszerünkbe.

Ha ezt tesszük,

többé-kevésbé ellensúlyozni tudjuk

a fényszóródást és a homályosságot,

amely az összetett rendszer következménye.

A zebradániót vizsgáljuk.

Szívesen dolgozunk a zebrahallal,
mivel hozzánk hasonlóan gerincesek,

de tőlünk eltérően többnyire átlátszóak.

Ez azt jelenti,
hogy amikor megvilágítjuk őket,

A sejtszintű és a sejten belüli működést

kitűnő részletességgel figyelhetjük meg.

Hadd mutassak egy példát.

Ezen a videón a zebrahal gerincét
és izmait figyelhetjük meg.

Láthatjuk a sejtek szerveződését –

több száz sejtet ebben a nagyságrendben –

hozzáadott fénnyel és anélkül.

Ezekkel az eszközökkel

jobb megfigyeléseket tehetünk,
mint valaha.

Egy nagyon egyedi példa,

nézhetjük, hogyan fejlődik ki
a zebrahal szeme.

Igazán láthatjuk a fejlődő zebrahalembrió
belsejében a felbolydulást.

Megfigyelhetjük a körös-körül
táncot lejtő sejteket.

Egy esetben szemügyre vehetjük,
hogyan osztódik a sejt.

Egy másikban láthatjuk a sejteket,
amint a helyükre igyekeznek,

és átpréselik magukat a sejtek között.

Utolsóként láthatunk egy sejtet,
amint vadul küzd szomszédaival,

egyszerűen arrébb löki őket.

Ugye?

Ez a technológia valóban segít
mélyebbre tekinteni és tisztábban látni,

majdnem, mintha üveglapon elkülönített

rabul ejtett sejteket figyelnénk.

Szeretném bemutatni, mit ígér
számunkra ez a technológia.

Összefogtunk a világ legjobb
tudósai közül néhánnyal.

Alapvető kérdéseket fogalmaztunk meg,

amelyeken nemrég el is kezdtünk dolgozni.

Például, hogyan képez áttétet
a rák a testben?

Ebben a példában
emberi mellráksejteket látunk,

melyek lényegében vándorolni kezdtek,

amire a magenta színben látszó
vérereket használják.

Tulajdonképpen országútként
használják az ereket,

hogy elhagyhassák addigi helyüket.

Látjuk, ahogy átpréselik
magukat az ereken.

Látjuk, ahogy tovagördülnek,
ha van elég helyük,

és egy esetben amit látunk, az úgy néz ki,
hogy lehetne Ridley Scott filmelőzetese

a következő "Idegen" című filmhez.

Ez a ráksejt szó szerint szétmarcangolja
a véreret, és úgy mászik ki belőle,

hogy a test másik részébe hatolhasson.

Az utolsó példában, amit mutatok,

igyekszünk megérteni,
hogyan fejlődik a fül.

Ebben az esetben teljesen magukra vonták
figyelmünket az ide-oda kúszó neutrofilek.

Ezek az immunsejtek folyton járőröznek,

gyakorlatilag szünet nélkül.

Folyamatosan felmérik, vannak-e behatolók,

van-e fertőzés.

Állandóan mozognak,
így érzékelik a környezetüket.

Ezeket a képeket és felvételeket

részletesebben láthatjuk, mint valaha,

egészen mostanáig.

Ahogy minden új technológia esetén,

az új lehetőségekkel
új kihívások is járnak,

és számunkra az a nagy kihívás,
hogyan kezeljük az adatokat.

Ezek a mikroszkópok
tömérdek adatot generálnak.

Minden esetben 1-3 terabájt adatot
állítunk elő óránként.

Hogy közönségünk tapasztaltabb tagjai
számára szemléltessem,

kétmillió floppylemezt
töltünk tele óránként,

(Nevetés)

Ez nagyjából megfelel 500 DVD-nek,

vagy a Z generáció számára érthetően,

ez nagyjából egy tucat
iPhone 11-nek felel meg óránként.

Tömérdek adatunk van.

Új módszereket kell találnunk
ezek megjelenítésére.

Új módszereket kell találnunk,

hogy hozzájuthassunk
a biológiailag jelentős információkhoz

az adathalmazokból.

És ami még fontosabb,

biztosítani szeretnénk,
hogy ezek a fejlett mikroszkópok

világszerte eljussanak a tudósokhoz.

Mi ingyen bocsátjuk rendelkezésre
e mikroszkópok terveit.

De kulcsfontosságú,

hogy még jobban együttműködjünk
az eredmény érdekében.

Összehozzuk a tudósokat,

akik új biológiai és kémiai eszközöket
tudnak fejleszteni.

Adatelemzőkkel

és műszerkutatókkal dolgozunk együtt,

hogy létrehozzuk és kezeljük
az adatbázisokat.

Mivel ingyen bocsátjuk rendelkezésre
ezeket a készülékeket

a tudományos és nonprofit
szervezetek számára,

fejlett képalkotó központokat is építünk,
ahol helyet kaphatnak,

és hogy össze tudjuk hozni
a mikroszkópon dolgozó embereket,

a biológusokat és a számítástechnikusokat,
hogy egy csapatot alkossunk,

akik meg tudnak oldani olyan problémákat,

amelyeket egyénileg nem tudnánk.

E mikroszkópoknak köszönhetően

a tudomány élvonala
újból megnyílt számunkra.

Haladjunk hát rajta együtt.

Köszönöm.

(Taps)