استفاده از اسپرسو به عنوان یک قهوه جایگزین بی خطر برای مواد شیمیایی سمی در تصویربرداری میکروسکوپی، راهکاری نوین و اقتصادی است که بدون نیاز به تجهیزات ایمنی پیچیده، تصاویری با کنتراست بالا از ساختارهای سلولی ارائه می دهد.
محقق ها یه نوشیدنی معمولی که تو هر خونه ای پیدا می شه رو به عنوان یه جایگزین موثر و غیرسمی برای مواد شیمیایی خطرناکی که به طور سنتی تو تصویربربرداری های میکروسکوپی با وضوح بالا استفاده می شن، شناسایی کردن. یه تحقیق جدید نشون می ده که قهوه اسپرسوی معمولی می تونه نمونه های بیولوژیکی رو برای میکروسکوپ الکترونی با وضوح و جزئیاتی رنگ آمیزی کنه که با محلول های رادیواکتیو استاندارد صنعت برابری می کنه و به عنوان قهوه جایگزین بی خطر مطرح شده. نتایج این تحقیق تو مجله Methods منتشر شده.
برای درک اهمیت این کشف، اول باید با چالش های نادیدنی میکروسکوپ الکترونی آشنا بشیم. زیست شناس ها برای دیدن ساختارهای داخلی سلول ها در مقیاس نانومتر، به میکروسکوپ های الکترونی عبوری یا همون TEM تکیه می کنن. در حالی که میکروسکوپ های نوری از فوتون ها برای روشن کردن سوژه استفاده می کنن، TEMها از پرتوهای الکترونی شتاب دار استفاده می کنن.
این تفاوت تو منبع نور باعث می شه که بزرگ نمایی خیلی بالاتری داشته باشیم. اما برای مشاهده نمونه های بیولوژیکی یه مشکل اساسی ایجاد می کنه. موجودات زنده عمدتا از عناصر شیمیایی سبک مثل کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شدن.
این عناصر سبک تعامل قوی با پرتوهای الکترونی ندارن. وقتی یه پرتو الکترونی از یه لایه نازک بافت بیولوژیکی عبور می کنه، الکترون ها بدون اینکه منحرف یا پخش بشن، مستقیما ازش رد می شن. نتیجه اش تصویریه که تقریبا هیچ تضاد یا کنتراستی نداره و باعث می شه اجزای پیچیده سلول برای مشاهده گر نامرئی بمونن.
دهه هاست که راه حل این مشکل، آغشته کردن بافت با فلزات سنگینه. این فرآیند به عنوان «رنگ آمیزی مثبت» شناخته می شه. یون های فلزات سنگین به ساختارهای سلولی مثل غشاها یا پروتئین ها می چسبن.
وقتی پرتو الکترونی به این نواحی پوشیده از فلز برخورد می کنه، الکترون ها برمی گردن. این کار باعث ایجاد نواحی تاریک روی تصویر نهایی می شه، در حالی که نواحی رنگ نشده روشن باقی می مونن. کنتراست حاصل به محقق ها اجازه می ده تا جغرافیای سلول رو نقشه برداری کنن. این نوع تحلیل های دقیق ساختاری در حوزه های دیگر علمی نیز اهمیت دارد، مشابه دقتی که در مطالعات مربوط به تشخیص اوتیسم با الگوهای مغز برای شناسایی جزئیات نادیدنی به کار می رود.
در حال حاضر «استاندارد طلایی» برای این کار، ماده ای شیمیایی به اسم اورانیل استات هست. این ماده نمکیه که از اورانیوم به دست میاد. این ماده تو چسبیدن به لیپیدها و پروتئین های بیولوژیکی فوق العاده عمل می کنه و جزئیات دقیقی از غشاهای سلولی و DNA رو نشون می ده.
اما اورانیل استات معایب بزرگی داره. هم برای کلیه ها خیلی سمیه و هم از نظر شیمیایی رادیواکتیوه. استفاده از چنین مواد خطرناکی نیاز به پروتکل های ایمنی شدید، دفع زباله گرون قیمت و کاغذبازی های اداری پیچیده داره.
قهوه، جایگزین بی خطر در میکروسکوپ الکترونی
حتی بعضی از آزمایشگاه ها اصلا اجازه ندارن این ماده رو داشته باشن. در نتیجه، جامعه علمی دنبال یه جایگزین «سبز» و موثر بوده که هم ایمن و ارزون باشه و هم کارایی خوبی داشته باشه. این جستجو، یه تیم از محقق های اتریشی رو به سمت آشپزخونه برد تا به دنبال قهوه جایگزین بی خطر باشند.
کلودیا مایرهوفر، متخصص اولترامیکروتومی تو مرکز میکروسکوپ الکترونی گراتس، این تحقیق رو رهبری کرد. کار اون روی آماده سازی فیزیکی نمونه ها متمرکز هست که شامل بریدن بافت ها به لایه هایی نازک تر از طول موج نور مرئی می شه. اون با همکارهای خودش از دانشگاه صنعتی گراتس و دانشگاه اینسبروک همکاری کرد.
ایده این مطالعه از یه مشاهده خیلی معمولی شروع شد. مایرهوفر متوجه شد که قهوه ای که برای مدت طولانی توی فنجون می مونه، حلقه های ماندگاری ایجاد می کنه که تمیز کردنشون سخته. اون فرض کرد که شاید ترکیباتی که مسئول این لکه های سرسخت هستن، بتونن به خوبی به بافت های بیولوژیکی هم بچسبن.
مایرهوفر گفت: «ایده استفاده از اسپرسو به عنوان ماده رنگ آمیزی از لکه های خشک شده دایره ای توی فنجون های قهوه استفاده شده به ذهنم رسید. تست های اولیه نشون دادن که قهوه نمونه های بیولوژیکی رو رنگ می کنه و کنتراست رو بالا می بره.»
برای آزمایش دقیق این فرضیه، تیم یه مطالعه تطبیقی طراحی کرد. اونا می خواستن ببینن قهوه در مقایسه با استاندارد رادیواکتیو اورانیل استات چطور عمل می کنه. اونا همچنین قهوه رو با سایر جایگزین های احتمالی که تو مقالات علمی پیدا کرده بودن، مقایسه کردن.
محقق ها گورخرماهی رو به عنوان سوژه بیولوژیکی خودشون انتخاب کردن. به طور خاص، اونا روی میتوکندری های داخل سلول های گورخرماهی تمرکز کردن. میتوکندری ها برای این نوع آزمایش عالی هستن چون غشاهای پیچیده و دو لایه دارن.
اگه رنگ موثر باشه، این غشاها به صورت خطوط واضح و مشخص دیده می شن. اگه رنگ ضعیف باشه، غشاها تار به نظر می رسن یا با پس زمینه مخلوط می شن. تیم تحقیق یه محلول اسپرسوی غلیظ با استفاده از دانه های قهوه روبوستا آماده کردن.
اونا همچنین محلولی از اسید کلروژنیک خالص رو هم امتحان کردن. این اسید جزء اصلی شیمیایی قهوه است. محقق ها حدس می زدن که احتمالا این همون ماده موثریه که مسئول رنگ آمیزیه.
تیم تحقیق، بخش های خیلی نازک بافت گورخرماهی رو با مواد مختلف تیمار کردن. بعد با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری تحت شرایط فنی کاملا یکسان از نمونه ها تصویربرداری کردن. این کار باعث شد تا مطمئن بشن هر تفاوتی تو کیفیت تصویر به خاطر رنگه، نه تنظیمات دستگاه.
در گذشته، ارزیابی کیفیت یه تصویر میکروسکوپی یه فرآیند ذهنی و سلیقه ای بود. یه متخصص میکروسکوپ به صفحه نگاه می کرد و قضاوت می کرد که آیا کنتراست کافی هست یا نه. نویسنده های این مطالعه دنبال یه معیار دقیق تر و علمی تر بودن.
اونا یه روش عینی برای اندازه گیری «کنتراست تداخلی» ابداع کردن. این کار شامل تجزیه و تحلیل ریاضی تصاویر دیجیتال بود. اونا شدت پیکسل غشاهای رنگ شده رو اندازه گیری کردن و با شدت پیکسل مواد سلولی اطراف مقایسه کردن.
این محاسبات یه مقدار عددی تولید کرد که نشون دهنده کیفیت رنگ آمیزی بود. عدد بالاتر نشون دهنده تفکیک بهتر بین جسم مورد نظر و پس زمینه بود. این کار اجازه داد تا یه رتبه بندی بدون تعصب از مواد رنگ آمیزی مختلف داشته باشن.
نتایج بصری فوری و خیره کننده بود. نمونه هایی که با محلول اسپرسو رنگ شده بودن، تصاویر باکیفیتی ایجاد کردن. غشاهای میتوکندری کاملا واضح و مشخص بودن.
وقتی نتایج با نرم افزار عینی بررسی شد، رنگ قهوه عالی عمل کرده بود. مایرهوفر تو یه بیانیه مطبوعاتی به موفقیت این نوشیدنی خانگی اشاره کرد و گفت: «اسپرسو مقادیر کنتراست بسیار خوبی ارائه داد، در بعضی موارد حتی بهتر از اورانیل استات بود.»
این تحقیق نشون داد که رنگ قهوه کنتراستی ایجاد می کنه که به راحتی می شه ساختارهای سلولی رو از هم تشخیص داد. این فقط یه جایگزین معمولی نبود، بلکه یک قهوه جایگزین بی خطر و جدی بود. اسید کلروژنیک خالص هم خوب عمل کرد و تایید شد که نقش مهمی تو فرآیند چسبیدن رنگ داره.
محقق ها همچنین سعی کردن از عصاره چای اولانگ استفاده کنن. این پیشنهاد تو مقالات علمی قبلی به عنوان یه رنگ احتمالی مطرح شده بود. اما تو این مقایسه خاص، عصاره چای نتونست تصاویر شفاف و بدون نقص تولید کنه.
چرا قهوه جایگزین بی خطر بهتری است؟
نتایج این تحقیق هم از نظر اقتصادی و هم از نظر کاربردی اهمیت زیادی داره. خرید اورانیل استات و دفع ایمن اون خیلی گرون تموم می شه. در حالی که قهوه تو تقریبا هر فروشگاهی با قیمت خیلی کمتری در دسترسه.
علاوه بر این، قهوه هیچ خطری برای سلامتی دانشمندهایی که باهاش کار می کنن نماینده. نیازی به تهویه خاص، محافظت در برابر تشعشع یا مجوزهای دولتی نداره. این موضوع باعث می شود قهوه جایگزین بی خطر و مقرون به صرفه ای باشد.
تو این مطالعه اشاره شده که اگرچه کنتراست خوب بود، اما نسبت «سیگنال به نویز» برای قهوه کمی متفاوت از اورانیوم بود. اورانیوم یه عنصر خیلی سنگینه، بنابراین الکترون ها رو خیلی خوب پخش می کنه. مولکول های آلی مثل اونایی که تو قهوه هستن، سبک ترن.
با وجود سبک تر بودن، تراکم رنگ قهوه برای ایجاد تصویر لازم کافی بود. این موضوع این فرضیه رو که فقط فلزات سنگین می تونن رنگ های موثری برای میکروسکوپ الکترونی باشن، به چالش می کشه و نشان می دهد که قهوه جایگزین بی خطر می تواند راهگشا باشد. این کار راه رو برای راه حل های شیمی آلی باز می کنه.
البته این تحقیق محدودیت هایی هم داره. مطالعه به طور خاص روی میتوکندری گورخرماهی متمرکز بود. بافت های بیولوژیکی از نظر ترکیب شیمیایی تفاوت های زیادی با هم دارن.
رنگی که روی لیپیدهای غشای میتوکندری خوب جواب می ده، ممکنه به پروتئین موجود در رشته عضلانی یا رشته DNA به اون خوبی نچسبه. نویسنده ها اعتراف می کنن که این اولین قدمه، نه یه راه حل جهانی. برای استفاده گسترده، آزمایش های بیشتری لازمه.
تایید این روش روی طیف وسیع تری از نمونه های بیولوژیکی ضروریه. محقق ها باید مطمئن بشن که قهوه باعث ایجاد خطا یا تغییر شکل تو انواع مختلف بافت ها نمی شه. ثبات و هماهنگی تو تصویربرداری علمی خیلی مهمه.
ایلسی لتوفسکی-پاپست، مدیر تیم، بر نیاز به ادامه بررسی ها تاکید کرد. اون گفت: «نتایج ما نشون می ده که قهوه جایگزین بی خطر و جدی برای اورانیل استاته. با این حال، هنوز به تحقیقات بیشتری روی انواع مختلف بافت ها نیاز داریم تا بتونیم از اون به طور گسترده تو میکروسکوپ الکترونی علوم زیستی استفاده کنیم.»
با وجود نیاز به آزمایش های بیشتر، این مطالعه نشون دهنده تغییر تو نگاه دانشمندها به آماده سازی نمونه هاست. این تحقیق نشون می ده که جواب مشکلات پیچیده آزمایشگاهی همیشه تو مواد شیمیایی سنتز شده نیست و قهوه جایگزین بی خطر و در دسترس می تواند راه حل باشد. گاهی اوقات، راه حل داره تو قوری یا دستگاه قهوه ساز کنار دستمون دم می کشه.
این مطالعه با عنوان «قهوه – جایگزینی همه جا حاضر برای اورانیل استات در رنگ آمیزی بخش های فوق نازک بیولوژیکی برای مطالعات میکروسکوپ الکترونی» توسط کلودیا مایرهوفر، روبرت زاندونلا، ویلی سالون موزر و ایلسه لتوفسکی-پاپست نوشته شده است.
یافته های این پژوهش یادآور این نکته است که نوآوری های علمی همیشه نیازمند تجهیزات گران قیمت نیستند. استفاده از مواد طبیعی و در دسترس نه تنها به حفظ محیط زیست کمک می کند، بلکه با حذف خطرات مواد رادیواکتیو، فضای کاری ایمن تری برای پژوهشگران فراهم می آورد تا با خیالی آسوده به کاوش در ساختارهای بنیادین حیات بپردازند.
