Zakładałam się, że mój szef dostanie Nobla, ale nie myślałam, że z chemii - tak o wyróżnieniu Niemca profesora Stefana Hella mówi w rozmowie z Grzegorzem Jasińskim jego doktorantka, Justyna Oracz z Uniwersytetu Warszawskiego. Hella, a także dwóch Amerykanów Erika Betziga i William Moernera wyróżniono za stworzenie mikroskopii fluorescencyjnej wysokiej rozdzielczości. To aparatura fizyczna, która najbardziej przyda się w badaniach biologicznych i medycznych. Laureaci faktycznie mogliby dostać nagrodę zarówno z fizyki, jak i medycyny.
Grzegorz Jasiński, RMF FM: Badania naukowe, które prowadzą fizycy doprowadziły do nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Dlaczego?
Joanna Oracz: Też się nad tym zastanawiałam. Wcześniej z zapartym tchem oglądałam relację z ogłoszenia laureatów w dziedzinie fizyki i trzymałam kciuki za Stefana. I dzisiaj w tramwaju odebrałam telefon od kolegi, który mi powiedział, że Stefan otrzymał nagrodę Nobla z Chemii. Myślałam, że żartuje. Nie wiem, dlaczego chemia, bardziej spodziewałabym się fizyki, albo medycyny...
Te metody mogą być i są wykorzystywane w biologii. Tę nagrodę przyznano stosunkowo niedługo po dokonaniu tych odkryć. Dlaczego pani zdaniem przyszedł już czas na wyróżnienie tego wynalazku?
To jest bardzo prosty pomysł na uzyskanie superrozdzielczości. Pomysł, który po kilku latach został zrealizowany eksperymentalnie. Nawet nie sam pomysł budzi podziw, ale właśnie jego realizacja. W próbkach biologicznych zeszliśmy z rozdzielczością z klasycznego limitu dyfrakcyjnego 200 nanometrów do powiedzmy 20 nm, czyli widzimy 10 razy lepiej. To jedyna taka technika, która umożliwia osiągnięcie takiej rozdzielczości i ta rozdzielczość pozwala nam, jeśli nie jeszcze na przełomowe odkrycia w dziedzinie biologii, to na przyspieszanie prac nad rozwiązywaniem pewnych problemów.
Musimy podkreślić, że mamy do czynienia z mikroskopią optyczną. Potoczna wiedza jest taka, że istnieją mikroskopy innego typu, które pozwalają zobaczyć mniejsze obiekty, Jednak to właśnie mikroskopia optyczna jest potrzebna, by zobaczyć obiekty żywe, obiekty biologiczne. Dlatego tak warto było walczyć w tym przypadku o tę rozdzielczość...
Mikroskop konfokalny został wynaleziony dawno temu, ale wciąż nie ma w przypadku badań biologicznych alternatywy. Bo to obrazowanie nieinwazyjne. Inne techniki superrozdzielcze umożliwiają obrazowanie powierzchni, nie dają możliwości obrazowania struktur przestrzennych, trójwymiarowych w czasie rzeczywistym...
A poza tym próbkę trzeba zabić i potem w jakiś sposób utrwalić, zamrozić, zatopić w tworzywach sztucznych i obserwować tylko to, co jest na powierzchni. To dla badań biologicznych dużo za mało...
Sama inwazyjność innych metod powoduje, że nigdy nie możemy być pewni, czy użyta metoda nie zmodyfikowała jakoś naszej próbki. Mikroskopia optyczna jest tu znacznie lepsza.
Sporą sensację ponad dwa lata temu wywołała wiadomość, że w ramach swojej pracy magisterskiej Pani zbudowała na Uniwersytecie Warszawskim taki mikroskop fluorescencyjny. Proszę nam opowiedzieć, jak to było możliwe i co dalej z tym mikroskopem. Pracuje? Jego możliwości są teraz większe?
Zbudowaliśmy ten mikroskop głównie dzięki propozycji profesora Radzewicza. Wtedy jeszcze nie współpracowaliśmy z profesorem Hellem. Wtedy rozpoczęłam doktorat i skontaktowałam się ze Stefanem Hellem, czy mogłabym odwiedzić jego grupę. Odwiedziłam tę grupę, polubiliśmy się i zostałam tam przez ostatnie dwa lata, wciąż rozwijając techniki superrozdzielcze. Tydzień temu właśnie wróciłam z Getyngi do Warszawy, po to żeby dokończyć pracę doktorską, nadal pracując nad tym, co powstało w Getyndze.
Proszę powiedzieć nam kilka słów o tym mikroskopie, który pani skonstruowała na - powiedzmy sobie szczerze - bardzo wczesnym etapie pracy naukowej...
To mikroskop, który wykorzystuje bardzo prostą ideę. W takiej tradycyjnej mikroskopii konfokalnej używana jest jedna wiązka laserowa, jedna wiązka wzbudza fluorofor. Ponieważ w większości przypadków próbki biologiczne są przezroczyste, nie zobaczylibyśmy za dużo, biolodzy muszą umieć je odpowiednio znakować barwnikami fluorescencyjnymi. Taki barwnik, kiedy pada na niego światło pochłania energię i "odświeca" z powrotem w innym kolorze. Używając odpowiednich filtrów możemy otrzymać sygnał fluorescencji. Taką mikroskopię biolodzy bardzo lubią ze względu na jej wysoki kontrast i możliwość znakowania konkretnych części komórki. Rozdzielczość tego mikroskopu byłą odpowiednio zwiększana poprzez wykorzystanie na przykład mikroskopii wielofotonowych, gdzie obszar plamki, którą się wzbudza, jest odpowiednio zmniejszany, dzięki czemu uzyskuje się większą rozdzielczość. Stefan Hell jednak wpadł na pomysł, że może zamiast wzbudzać, lepiej postarać się tę fluorescencję w określonym obszarze wygasić. Zaproponował wykorzystanie drugiej, dodatkowej wiązki w kształcie obwarzanka, która ma w środku minimum. Ta wiązka wygasza fluorescencje z obszarów poza minimum. W ten sposób z pomocą emisji wymuszonej pozbywamy się świecenia z obszaru, który jest ograniczony dyfrakcyjnie i rejestrujemy świecenie tylko z obszaru minimum wiązki wygaszającej...
Co nowego w tej technologii zdarzyło się przez ostatnich parę lat, jak posuwa się do przodu?
Na razie rekordem rozdzielczości dla próbek biologicznych jest to 20 nanometrów przy czym nie jest to limit fundamentalny, to znaczy ta technika może pójść jeszcze dalej. Prace nad jeszcze lepszą rozdzielczością trwają. Chodzi o osiągnięcie rozdzielczości atomowej na poziomie angstrema, czyli dziesiątej części nanometra. W przypadku próbek z ciałem stałym, na przykład centrów barwnych w diamencie, rozdzielczość, którą można uzyskać to 2 nm. jeden z projektów, który realizowałam w Niemczech polegał na znalezieniu optymalnych parametrów dla impulsów wygaszających. Udało się uzyskać lepszą rozdzielczość przy dłuższych impulsach. Tym, czym szczególnie interesuję się teraz jest użycie do obserwacji procesów biologicznych nie standardowych fluoroforów, jako znaczników, ale ciała stałego, na przykład kropek kwantowych, czy nanodrutów. Taka mikroskopia może być wykorzystana także w przypadku fotoluminescencji, nie fluorescencji. Wtedy jest trochę łatwiej, bowiem nie mamy do czynienia ze zniszczeniem fluoroforu, które przy wygaszaniu następuje bardzo często. To taki kierunek badań, w których koncentrujemy się też na innych znacznikach, nie tylko tradycyjnych.
Pani podchodzi do tego, jako fizyk, który buduje aparaturę, tworzy jej podstawy teoretyczne, realizuje je, optymalizuje. Ale to urządzenie trafia potem w ręce biologów, osób które zajmują się podstawowymi procesami, które zachodzą w komórkach naszego organizmu. Co mogą dzięki tej mikroskopii zobaczyć?
Można zobaczyć na przykład dużo więcej detali w mitochondriach, które odpowiadają za proces przetwarzania energii. Grupa profesora Hella składa się w dużej części z osób, które zajmują się badaniem tych procesów. Ciekawa jest obserwacja neuronów w mózgu, obserwacja procesu uczenia się. Takie na przykład kolce dendrytyczne są bardzo małe i na podstawie obserwacji pod mikroskopem konfokalnym niewiele moglibyśmy o nich powiedzieć. Natomiast jeśli wykorzystamy techniki superrozdzielcze to możemy się dowiedzieć więcej. Liczymy na to, że dzięki nim zrozumiemy, jak działa mózg. Ale to oczywiście długa droga. Zastanawiałem się jeszcze niedawno, będąc na konferencji w Heidelbergu, czy rzeczywiście dokonano już z wykorzystaniem tych technik jakiegoś przełomowego odkrycia w biologii. I chyba jeszcze takiego odkrycia nie ma . Natomiast to, co ta mikroskopia przyniosła, to znaczne przyspieszenie procesu poznawania tajemnic procesów biologicznych. Od razu można zobaczyć, czy coś jest na zewnątrz komórki, lub w środku, z czym się łączy, czy się porusza w tę stronę, czy w drugą. Fundamentalnego odkrycia jednak jeszcze nie ma...
Decyzja w sprawie nagrody oznacza chyba, że Komitet Noblowski ma pewność, że takie odkrycia się pojawią, bo jak wydaje się przestrzeń dla takich odkryć jest niemal nieskończona. To dotyczy medycyny, farmakologii, można przecież badać reakcję komórek na leki. Nawet dla zwykłego zjadacza chleba wydaje się, że to musi zakończyć się wielkimi odkryciami...
Tak, tym bardziej, że dążymy do miniaturyzacji wszystkiego i zrozumienie procesów w skali mikro, czy nano pozwoli nam je potem wykorzystać. Choćby w przypadku nanostruktur do których będą doczepione jakieś lekarstwa. Pomoże nam to zrozumieć też fizykę w nanoskali, myślę, że to główny powód, dla którego ta nagroda została przyznana w tym roku.
Jak pani podejrzewa, jaka atmosfera panuje tam teraz w laboratorium szefa?
Mam kontakt z Getyngą cały czas, dzwonią do mnie, piszemy do siebie. Mówią, że jest szaleństwo, nikt się nie spodziewał, że będzie to z chemii, ale generalnie jest bardzo wesoło. Ja osobiście też się cieszę, ponieważ zakładałam się z kilkoma osobami, czy profesor Hell dostanie za mojego życia nagrodę Nobla, no i wygrałam...
Proszę nam jeszcze powiedzieć o nim parę słów.
To bardzo ciekawa postać. Urodził się w Rumunii, ale studiował już w Niemczech, gdzie zaczął kierować swoją grupą. Jest to to bardzo wesoły człowiek, który bardzo dużo pracuje. W każdą sobotę, niedzielę można go zastać w laboratorium o różnych dziwnych porach. ma też bardzo ciekawą rejestrację samochodową, po której łatwo poznać, że jest w Instytucie. na jego rejestracji samochodowej wypisano rekord rozdzielczości, czyli 7 nanometrów. To dość zabawna postać.
