Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro mokslininkų komanda, vadovaujama Asoc. Prof. Dr. Marijono Tutkaus, sukūrė itin didelės skiriamosios gebos fluorescencinį mikroskopą „miEye“, leidžiantį tyrinėti biologines struktūras pavienių molekulių lygmeniu. Mokslininkų žiniomis, tai pirmoji Lietuvoje veikianti ir kasdieniams tyrimams naudojama tokio tipo mikroskopijos sistema. Svarbų vaidmenį ją kuriant atliko ir Lietuvos lazerių gamintojos „Integrated Optics“ lazeriai.
Galimybė pažvelgti į pavienių molekulių pasaulį
Įprastinės šviesinės mikroskopijos skiriamąją gebą riboja šviesos difrakcija, todėl labai smulkias, arti viena kitos esančias struktūras sunku atskirti. Vienos molekulės lokalizacijos mikroskopija (angl. single-molecule localization microscopy, SMLM) leidžia įveikti šį apribojimą ir gauti gerokai detalesnius biologinių struktūrų vaizdus.
Taikant šį metodą, registruojami atskirų fluorescuojančių molekulių signalai, tiksliai nustatomos jų padėtys, o iš daugybės tokių matavimų atkuriamas itin didelės skiriamosios gebos vaizdas. Tai leidžia mokslininkams tyrinėti ląstelių struktūras ir molekulių išsidėstymą tokiu detalumu, kokio įprastinė šviesinė mikroskopija negali pasiekti.
Vilniaus universiteto mokslininkų sukurta „miEye“ sistema suteikia galimybę tokius eksperimentus atlikti Lietuvoje, naudojant pačių mokslininkų sukonstruotą ir jų tyrimų poreikiams pritaikytą įrangą.
Nuo atvirojo kodo projekto iki veikiančio mikroskopo
„miEye“ kūrimo istorija prasidėjo 2020 m., kai M. Tutkus gavo Lietuvos mokslo tarybos finansavimą mokslinių tyrimų projektui. Vienas iš jo tikslų buvo sukurti pažangią mikroskopijos sistemą, kuri atitiktų laboratorijos mokslinius poreikius ir kartu būtų įgyvendinama turimomis finansinėmis galimybėmis.
Užuot įsigijusi komercinę mikroskopijos sistemą, mokslininkų komanda pasirinko ją konstruoti savarankiškai. Pagrindu tapo Nyderlandų mokslininkų sukurtas atvirojo kodo „miCube“ projektas, kurį Lietuvos tyrėjai papildė savo sprendimais.
Vienas jų – automatinio fokusavimo sistema, padedanti išlaikyti stabilų vaizdo fokusą ilgų eksperimentų metu. Komanda taip pat sukūrė „microEye“ – Python programavimo kalba paremtą mikroskopo valdymo programinę įrangą, kurią paskelbė kaip atvirojo kodo projektą.
Tokiu būdu mokslininkai sukūrė ne tik veikiantį prietaisą, bet ir lankstų eksperimentinį įrankį, kurį gali toliau tobulinti bei pritaikyti naujiems tyrimams.
Lietuviški lazeriai – svarbi sistemos dalis
Vienas svarbiausių iššūkių kuriant „miEye“ buvo tinkamų lazerinių šaltinių pasirinkimas. Itin didelės skiriamosios gebos fluorescencinei mikroskopijai reikalingi stabilūs, pakankamos galios ir skirtingų bangos ilgių lazeriai. Kartu jie turi būti suderinami su kitais optiniais komponentais ir mikroskopo valdymo sistema.
Mokslininkai pasirinko Lietuvos bendrovės „Integrated Optics“ gaminamus „MatchBox“ lazerius. Kompaktiški jų moduliai leido ribotoje erdvėje integruoti kelis lazerinius šaltinius, o atvira programinio valdymo sąsaja – juos tiesiogiai susieti su komandos kuriama „microEye“ programine įranga.
„miEye“ sistemoje naudojami skirtingų bangos ilgių lazeriai, apimantys 405–830 nm diapazoną. Jie atlieka skirtingas funkcijas: vieni naudojami fluorescuojančioms molekulėms sužadinti, o 830 nm lazeris – automatinio fokusavimo sistemai. Skirtingi sužadinimo bangos ilgiai leidžia dirbti su įvairiais fluorescenciniais žymenimis ir atlikti kelių spalvų mikroskopijos eksperimentus.
Svarbus buvo ir finansinis aspektas. Pasirinkti lazeriai leido mokslininkams įgyvendinti platesnių galimybių sistemą neatsisakant kitų tyrimams reikalingų komponentų. Per kelerius bendradarbiavimo metus komanda savo sistemose panaudojo beveik dešimt „Integrated Optics“ lazerinių gaminių, o šiuo metu kuriamas ir antrasis lazerinis modulis.
“Bendradarbiavimas su mokslininkais, kuriančiais savo sistemas, yra vienas iš būdų, padedančių mums tobulinti savo produktus. Tik galutinis vartotojas gali nusakyti tikslų poreikį, kurio mes patys nebūtume numatę. Jų sprendimai ir patirtis tiesiogiai daro įtaką mūsų naujų produktų kūrimui ir tobulinimui. Marijono Tutkaus komandos projektas yra puikus to pavyzdys” – teigia Integrated Optics direktorius Evaldas Pabrėža.
Naujos galimybės moksliniams tyrimams Lietuvoje
Šiandien „miEye“ jau yra kasdien naudojamas mokslinių tyrimų instrumentas. Pasak sistemos kūrėjų, tai pirmasis Lietuvoje tokio tipo visiškai funkcionalus SMLM mikroskopas, suteikiantis galimybę atlikti itin didelės skiriamosios gebos eksperimentus vietinėje laboratorijoje.
Šis pasiekimas svarbus ne tik dėl paties prietaiso techninių galimybių. Savarankiškai sukurta sistema suteikia mokslininkams daugiau laisvės ją modifikuoti, išbandyti naujus eksperimentinius metodus ir pritaikyti įrangą konkretiems moksliniams klausimams spręsti.
„miEye“ istorija taip pat atskleidžia platesnį Lietuvos aukštųjų technologijų potencialą. Šalyje kuriamos lazerių technologijos, kurios eksportuojamos į viso pasaulio mokslinių tyrimų laboratorijas ir pramonės įmones, kartu prisideda ir prie naujų mokslinių galimybių kūrimo Lietuvoje.
Plačiau apie „miEye“ sistemos kūrimą ir „MatchBox“ lazerių pritaikymą – „Integrated Optics“ paskelbtoje atvejo analizėje: https://integratedoptics.com/blog/case-study/matchbox-lasers-super-resolution-microscopy
Remdamasi šia patirtimi, „Integrated Optics” sukūrė ARA, keturių bangos ilgių lazerinį modulį (405, 488, 561 ir 638 nm), kuris visus sužadinimo šaltinius sutalpina į 65×40×10 mm korpusą, taip leisdamas OEM klientams ir mokslininkams dar labiau sumažinti prietaisų gabaritus