เทคนิคใหม่ของกล้องจุลทรรศน์ค้นหาเข็มในกองหญ้า ‘ข้อมูลขนาดใหญ่’

พวกคุณส่วนใหญ่อาจคุ้นเคยกับ “ข้อมูลขนาดใหญ่” อย่างน้อยบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยทางชีวการแพทย์ ในช่วงทศวรรษครึ่งนับตั้งแต่โครงการจีโนมมนุษย์จับคู่ลำดับเบสของนิวคลีโอไทด์สามพันล้านคู่หรือมากกว่านั้นในดีเอ็นเอของมนุษย์ ชุดข้อมูลในการศึกษาจีโนมิกส์ (ทั้งมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ) ได้ขยายไปสู่ระบอบเทราไบต์ ชุดข้อมูลเหล่านี้มักได้รับการจัดการโดยผู้เชี่ยวชาญ 

“นักชีวสารสนเทศศาสตร์” 

ซึ่งเป็นตำแหน่งงานที่พาดพิงถึงบทบาทสำคัญของคณิตศาสตร์และสารสนเทศที่เกี่ยวข้อง แทนที่จะเป็นผู้เชี่ยวชาญทางชีวการแพทย์เอง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีการถ่ายภาพที่หลากหลายได้เข้าร่วมกับชีวสารสนเทศในยุคข้อมูลขนาดใหญ่ การขยายขอบเขตของรังสีเอกซ์ของรูปแบบการถ่ายภาพ 

ซึ่งรวมถึงรสชาติต่างๆ ของกล้องจุลทรรศน์แบบแสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล้องจุลทรรศน์รังสีเอกซ์ การถ่ายภาพไซโตเมทรีมวล และอื่นๆ กำลังถูกนำไปใช้กับปัญหาทางชีวการแพทย์ เทคนิคใหม่ๆ เหล่านี้นำมาซึ่งความท้าทายด้านข้อมูลใหม่ๆ รวมถึงกรณีที่ข้อมูลถูกสร้างเร็วกว่าที่ฮาร์ดไดรฟ์มาตรฐาน

สามารถเขียนได้ และภาพขนาดใหญ่ที่มีความละเอียดสูงจากการทดลองครั้งเดียวอาจใช้พื้นที่จัดเก็บหลายเทราไบต์ สิ่งนี้ทำให้เกิดความต้องการนักวิทยาศาสตร์ด้านเครื่องมือเช่นฉัน ซึ่งเชี่ยวชาญในการพัฒนาระบบและเทคนิคแบบกำหนดเอง สำหรับช่วงเวลาที่โซลูชันเชิงพาณิชย์ที่มีขนาดเดียวพอดี

ทั้งหมดไม่สามารถรับมือกับการโจมตีของข้อมูลได้วิวัฒนาการของกล้องจุลทรรศน์ชีวการแพทย์

เมื่อคนอย่าง เริ่มทดลองตัวอย่างทางชีวภาพและกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในศตวรรษที่ 17 “กระบวนการสร้างภาพ” ของพวกเขาประกอบด้วยการวาดตัวอย่างด้วยมือขณะที่พวกเขาเห็นผ่านขอบเขต

ที่ทำเอง เทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น เลเซอร์และกล้องดิจิทัลทำให้กระบวนการถ่ายภาพเป็นไปโดยอัตโนมัติมากขึ้น ในขณะที่ความก้าวหน้าของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงได้ขยายขอบเขตของโครงสร้างที่สามารถถ่ายภาพได้เป็นอย่างมาก หนึ่งในความก้าวหน้าล่าสุดที่สำคัญที่สุดคือความสามารถ

ในการติดฉลาก

โครงสร้างที่สนใจด้วยเครื่องหมายเรืองแสง ตัวอย่างเช่น โปรตีนเรืองแสงสีเขียว ซึ่งเป็นสารที่แต่เดิมโคลนมาจากแมงกะพรุน และทำให้ผู้ค้นพบได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2551 ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถ “แท็ก” วัตถุที่สนใจเพื่อให้วัตถุเหล่านั้นส่องแสงเหมือนไฟสัญญาณ

อย่างไรก็ตาม มีขีดจำกัดของสิ่งที่แม้แต่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ทันสมัยที่สุดก็สามารถมองเห็นได้ เกณฑ์ของ Rayleigh (หรือเกณฑ์ Abbe ที่คล้ายกันซึ่งใช้กันทั่วไปในชีววิทยา) ระบุว่าวัตถุสองชิ้นไม่สามารถแก้ไขได้หากวัตถุสองชิ้นแยกจากกันโดยน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของแสง 

ประมาณ 200 นาโนเมตรสำหรับการทดลองทั่วไป เนื่องจากโครงสร้างและโมเลกุลทางชีววิทยาที่สำคัญจำนวนมากมีขนาดเล็กกว่านี้มาก เราจึงต้องหันไปใช้วิธีอื่นเพื่อตรวจสอบพวกมัน ทางออกหนึ่งคือกลุ่มของเทคนิคฟลูออเรสเซนต์ที่มีความละเอียดสูง เช่นการลดลงของการปล่อยสารกระตุ้น (STED) 

และการแปลโมเลกุลเดี่ยว (หัวข้อของรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2014). อีกแบบหนึ่งคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความยาวคลื่นสั้น de Broglie ให้ความละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบแสงที่ตามองเห็นมาก สิ่งนี้เผยให้เห็นโครงสร้างพิเศษของตัวอย่างอย่างละเอียด

ประณีต แต่หากไม่มีฉลากเฉพาะตามหน้าที่ เราสามารถทำได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่งของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนคือ เดิมทีวิธีนี้เป็นวิธีที่มีปริมาณงานค่อนข้างต่ำ โดยการเตรียมตัวอย่างที่กว้างขวางและใช้เวลานานนั้นจำเป็นสำหรับสแน็ปช็อต 2 มิติแต่ละภาพ 

ตัวอย่างเช่น 

การตัดตัวอย่างออกเป็นส่วนๆ ให้บางพอที่ลำแสงอิเล็กตรอนจะผ่านได้ ดังที่เกิดขึ้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เกี่ยวข้องกับการฝังวัสดุชีวภาพแบบอ่อนในสารแข็ง เช่น เรซิน ซึ่งช่วยให้สามารถแบ่งตัวอย่างออกเป็นส่วนๆ ที่มีความหนาประมาณ 100 นาโนเมตรโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า 

จากนั้นส่วนเหล่านี้จะถูกรวบรวมบนตะแกรงโลหะขนาดเล็กและใส่เข้าไปในกล้องจุลทรรศน์ในทางตรงกันข้าม เทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใหม่กว่า ได้รวมเอากลไกการตัดเข้าไปในห้องสุญญากาศของกล้องจุลทรรศน์ด้วย ในระบบเหล่านี้ พื้นผิวของตัวอย่างจะถูกถ่ายภาพด้วย

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) จากนั้น เศษไม้เล็กๆ จะถูกโกนออกเพื่อเผยให้เห็นพื้นผิวใหม่ที่ลึกลงไปอีกสองสามนาโนเมตร กลไกการตัดสามารถเป็นได้ทั้งมีดเพชร (ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนใบหน้าแบบบล็อกอนุกรม ) หรือลำแสงไอออนพลังงานสูง 

(ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนลำแสงไอออนแบบโฟกัส) ดังที่แสดงในภาพที่ จุดเริ่มต้นของบทความนี้ การทำขั้นตอนนี้ซ้ำโดยอัตโนมัติสามารถสร้างข้อมูลภาพ 3 มิติที่หนาแน่นได้หลายเทราไบต์ต่อวัน ตัวอย่างเช่น การสร้างเซลล์ HeLa เดี่ยวขึ้นใหม่ที่แสดงในภาพด้านบนถูกสร้างขึ้นจากข้อมูล

ในระบบเทราไบต์ที่บันทึกในระบบ FIB SEM ที่ระดับ 5 นาโนเมตรต่อพิกเซล เมื่อส่องสว่างด้วยแสงความยาวคลื่นเฉพาะ ข้อมูลนี้ให้ข้อมูลการทำงานเกี่ยวกับตัวอย่าง และวัตถุต่างๆ หลายชิ้น (เช่น ออร์แกเนลล์ย่อยหรืออนุภาคไวรัส) สามารถติดแท็กด้วยสีต่างๆ ภายในตัวอย่างเดียวกัน

การวิเคราะห์ข้อมูล งานวิเคราะห์จำนวนมากที่เราดำเนินการนั้นจัดอยู่ในประเภท “การงมเข็มในมหาสมุทร” บ่อยครั้ง เมื่อเราได้รับข้อมูลจากตัวอย่างที่มีเซลล์จำนวนมาก จะมีเพียงเซลล์เดียวหรือสองสามเซลล์เท่านั้นที่แสดงพฤติกรรมหรือโครงสร้างที่น่าสนใจ ตัวอย่างอาจเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่บ่อย เช่น ปฏิสัมพันธ์เริ่มต้นชั่วคราวและการหลอมรวมของเซลล์ที่สร้างหลอดเลือด 

credit: BipolarDisorderTreatmentsBlog.com silesungbatu.com ibd-treatment-blog.com themchk.com BlogPipeAndRow.com InfoTwitter.com rooneyimports.com oeneoclosuresusa.com CheapOakleyClearanceSale.com 997749a.com