استخدم فريق من الباحثين في ألمانيا وأستراليا مؤخرًا تقنية مجهرية جديدة لتصوير الهياكل البيولوجية على نطاق النانو بدقة لا يمكن التحكم فيها سابقًا ، دون تدمير الخلية الحية. هذه التقنية ، التي تستخدم ضوء الليزر أكثر سطوعًا من الشمس بملايين المرات ، لها آثار على التقنيات الطبية الحيوية والملاحة.
يعتبر المجهر البصري الكمي مثالاً على كيفية ظهور المبدأ الغريب للتشابك الكمومي في تطبيقات العالم الحقيقي. يتشابك جسيمان عندما تكون خواصهما مترابطة – بقياس أحدهما ، يمكنك أيضًا معرفة خصائص الآخر.
المستشعر في مجهر الفريق ، الموصوف في ورقة نشرت اليوم في العلوم ، يتوقف الضوء على الكم – أزواج متشابكة من الفوتونات – لرؤية بنى أفضل حلًا دون إتلافها.
قال وارويك بوين ، عالم فيزياء الكم في جامعة كوينزلاند في أستراليا ، والمؤلف المشارك لكتاب جديد الدراسة عبر البريد الإلكتروني. وجد فريق بوين ذلك ، في الواقع ، يمكن ذلك. “نحن نتظاهر [that] لأول مرة ، يُظهر أن الارتباطات الكمية يمكن أن تسمح بأداء (تباين محسّن / وضوح) يتجاوز الحد المسموح به بسبب التلف الضوئي في المجاهر العادية “. بالتلف الضوئي ، يشير بوين إلى طريقة القصف بالليزر يمكن للفوتونات أن تتحلل أو تدمر هدف مجهر ، مشابه للطريقة التي يصبح بها النمل مقرمشًا تحت عدسة مكبرة.
سمحت المجاهر للإنسان بفهم علم الأحياء على مستوى أعمق منذ القرن السادس عشر ، والمجاهر المتقدمة اليوم هي أكثر بكثير من مجرد عدستين متوائمتين. ابتكارات مثل مسح المجاهر النفقية، على سبيل المثال ، يمكنه رؤية الذرات الفردية. في العمل الجديد ، سلط الباحثون ضوء ليزر قويًا على خلية خميرة للكشف عن تعقيدات بنيتها التحتية. لقد تمكنوا من الحصول على الدقة الأعلى التي أرادوها بفضل الفوتونات المتشابكة ، لأن “اكتشاف فوتون واحد يمنحك معلومات حول موعد وصول الفوتون التالي” ، أوضح بوين.
قال كلاريس أيلو ، مهندس الكم المتخصص في الفيزياء الحيوية النانوية في جامعة كاليفورنيا ، والذي لا ينتمي إلى الورقة البحثية الأخيرة: “هذه التجربة هي مثال جميل على كيفية تسخير تقنيات الكم الآن نحو فهم أفضل للعمليات البيولوجية”. “العقبات التقنية … يجب التغلب عليها قبل أن تصبح التكنولوجيا تجارية ، ولكن هذه التجربة هي إثبات لمبدأ أن التقنيات الكمومية التي تم تطويرها منذ عقود يمكن نشرها وسوف يتم نشرها بشكل كبير في علوم الحياة.”
في حين أن المجاهر الأخرى التي تعمل بمثل هذا الضوء الشديد ينتهي بها الأمر إلى إحداث ثقوب في ما يحاولون دراسته ، فإن طريقة الفريق لم تفعل ذلك. أخذ الباحثون بصمات كيميائية باستخدام خلية الخميرة تشتت رامان، والتي تراقب كيف تشتت بعض الفوتونات من جزيء معين لفهم التوقيع الاهتزازي لهذا الجزيء. غالبًا ما تُستخدم مجاهر رامان لهذا النوع من بصمات الأصابع ، لكن تدمير الشيء الذي نحاول مراقبته بالكامل أزعج الباحثين الذين يحاولون رؤيته بدقة أعلى. في هذه الحالة ، يمكن للفريق رؤية تركيزات الدهون في الخلية باستخدام أزواج الفوتونات المترابطة للحصول على رؤية رائعة للخلية دون زيادة شدة شعاع الليزر بالمجهر.
قال تشارلز كامب ، مهندس كهربائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ومتخصص في تصوير رامان ، في رسالة بالبريد الإلكتروني إن أساليب رامان “وعدت منذ فترة طويلة بإحداث ثورة في التصوير البيولوجي” ولكن لها قيود مختلفة. ولكن في الدراسة الجديدة ، قدم الباحثون “نظام إثبات المبدأ وطريقة عملية نسبيًا للمضي قدمًا في التعزيز [stimulated Raman scattering] قال كامب.
قال بوين: “لقد تمكنا من حل جدار الخلية بشكل واضح ، وهو عبارة عن هيكل بسمك بضع نانومترات ويحيط (بالطبع) بالخلية”. “مع مجاهر رامان الأخرى ، من الصعب جدًا حل جدار الخلية ، وقد أظهرنا في حالتنا أن مجهرنا يمكنه فقط رؤية هذا بضعف شديد دون ارتباطات كمومية.”
اعتمادًا على هويتك ، من المخيف أو المريح بشكل غريب أن نفكر في كيف أننا جميعًا مجرد مجموعة من الخلايا ، تم تشكيلها معًا على مقاييس دقيقة لتشكيل الأطراف والأعضاء الداخلية وجميع الأنظمة المعقدة التي تجعلنا نتحرك. ولكن عند التكبير أكثر من ذلك ، هناك هياكل بيولوجية أصغر لم يتم فهمها بعد. تقنيات التصوير الجديدة المثيرة للإعجاب تسمح لنا بالتحديق أكثر قليلاً في هذا العالم غير المألوف تمامًا.
تم تحديث هذه المقالة بتعليقات من كلاريس أيلو وتشارلز كامب.
