Elektronska mikroskopija, zamrznjeni vzorci in Nobelova nagrada

14. oktober, 2017
dr. Janez Zavašnik

Letošnja Nobelova nagrada za kemijo je bila podeljena trem raziskovalcem za razvoj metode v presevni elektronski mikroskopiji, ki omogoča preiskovanje bioloških vzorcev na atomarnem nivoju s pomočjo zamrzovanja. Čeprav segajo začetki krio-elektronske mikroskopije v čas pred več kot 30 leti, je zaradi tehničnega razvoja mikroskopov, detektorjev, priprave vzorcev in predvsem razvoju računalnikov in programskih orodij za procesiranje podatkov metoda dosegla revolucionaren razvoj šele v zadnjem času.

Slika prikazuje dramatičen skok v resoluciji, ki ga omogoča nagrajena tehnika: od grobih obrisov celičnih struktur do posameznih molekul. Shema: The Royal Swedish Academy of Science / Martin Högborn

Čeprav je v preiskavah materialov in trdnih snovi vizualizacija atomov s pomočjo presevnega mikroskopa dobro znana metoda, razvita na začetku ’80 let prejšnjega stoletja, je bila v preiskavah bioloških materialov do nedavno neuporabna. Vzorec je med preiskovanjem v presevnem elektronskem mikroskopu izpostavljen visokemu vakuumu, z uporabo nove metode pa zamrzovanje fiksira vodo v biološkem vzorcu, kar omogoča opazovanje celic, virusov ali tkiv brez predhodnega izsuševanja ali fiksiranja. Preiskovani vzorec je zato verodostojen povzetek preiskovanega materiala, možnost opazovanja samih molekul pa odpira povsem nova področja raziskav procesov v organizmih.

Za lažje razumevanje si zelo na splošno poglejmo, kako deluje presevni elektronski mikroskop. Prvo vprašanje ponavadi je: zakaj sploh uporabljati elektrone za opazovanje vzorca? Valovna dolžina svetlobe, t.j. tisti del elektromagnetnega spektra, ki ga vidimo s prosimi očmi, ima valovno dolžino med 400 in 700 nm. Opazovanje s konvencionalnim optičnim mikroskopom nam s povečavo omogoča doseči resolucijo do približno ½ valovne dolžine, vse tja do 0,2 µm z uporabo modre svetlobe. Pod to mejo svetlobni mikroskop ni več uporaben, za opazovanje manjših subjektov pa potrebujemo valovno dolžino, krajšo od 400 nm. Tu pridejo na pomoč elektroni. Zaradi svoje dvojne narave, saj se obnašajo kot delec in hkrati tudi kot kot valovanje, nam omogočajo opazovanje preiskovanih materialov s precej manjšo valovno dolžino. Le-ta je odvisna tudi od pospeševalne napetosti, ki jo vodimo preko izvora elektronov. Presevni elektronski mikroskop, namenjen preiskavam trdnih vzorcev, običajno deluje pod napetostjo 200 – 300 kV in generira elektrone z valovno dolžino 2,5-1,8 pm, pri tem elektroni dosežejo hitrost 2,1 – 2,3 × 108 m/s, zelo blizu svetlobni hitrosti (cca. 3 × 108 m/s). Ker lahko elektrone obravnavamo tudi kot nabite delce, lahko s pomočjo elektromagnetnih leč z njimi manipuliramo, podobno kot s svetlobo v svetlobnem mikroskopu. Da preprečimo trke hitrih elektronov z molekulami plinov, je celoten mikroskop, vključno z vzorcem, v visokem vakuumu. Biološki vzorci praviloma vsebujejo visok delež vode, kar je bila glavna ovira za preiskave v presevnem elektronskem mikroskopu, in jih z Nobelovo nagrado nagrajena metoda uspešno odpravlja.

Elektromagnetni spekter (EM) z označenim delom vidne svetlobe. Philip Ronan, Wikimedia Commons

Zakaj pa bi sploh opazovali tako majhne stvari, kot so atomi? Ker vse lastnosti stvari izhajajo iz kristalne strukture: iz vrste atomov, ki stvari gradijo, in vrste povezav med njimi. O tem je tekla beseda na enem prvih predavanj Znanost na cesti.

Nobelova nagrada na področju presevne elektronske mikroskopije pa ni presenečenje: elektronski mikroskop in z njim povezane tehnike so bile (so)udeležene pri mnogih najprestižnejših priznanjih, vključno z izumom elektronskega mikroskopa samega: Albert Ruska je prejel Nobelovo nagrado za fiziko leta 1986, kar 53 let po svojem odkritju. Ob tem je potrebno omeniti tudi slovenski doprinos k razvoju elektronske mikroskopije, in pionirsko delo dr. Aleša Strojnika ob samem začetku razvoja te metode. Leta 1953-54 je na ljubljanski elektro-tehniški fakulteti sestavil prvi delujoči presevni elektronski mikroskop, poimenovan LEM-1 (Ljubljanski elektronski mikroskop). Nadaljni razvoj v sodelovanju z industrijskimi partnerji pripelje do komercialne različice LEM-4C, ki ga je izdelovalo podjetje ISKRA, in ga tudi prodajalo na mednarodnem trgu. Lastna proizvodnja vrhunske opreme je žal kmalu zamrla, raziskovalci pa smo se začeli zanašati na razvoj komercialne opreme. Na bogato zgodovino in pomemben doprinos pri razvoju elektronske mikroskopije smo želeli med drugim opozoriti z letošnjo razstavo v mestni hiši, pod naslovom »Bistvo je očem skrito«.

75 kV Iskra LEM-4C, 1968 (Tehnični muzej Bistra)
300 kV FEI Titan Themis, 2017 (JZ)

Presevni elektronski mikroskopi so velike, drage in občutljive naprave. Slovenski raziskovalni inštituti jih uporabljajo že vse od svojih začetkov, in so postali eno od nenadomestljivih orodij pri raziskavah, načrtovanju ali pri rutinskih preiskavah materialov ali bioloških vzorcev. S kombinacijo lastnega razvoja in nakupov najsodobnejših naprav smo v preteklosti uspeli zagotoviti kontinuiren napredek v znanju in strokovnosti. Nakupi v preteklosti so bili plansko načrtovani in mikroskopi so bili instalirani predvsem na ustanovah, ki so imele dovolj usposobljenega kadra in primerne pogoje. Presevni elektronski mikroskopi so se skozi desetletja razvili v precizne instrumente, občutljive na najmanjše spremembe v temperaturi, napetosti ali magnetnem polju, in od upravljalcev zahtevajo več-letne izkušnje in obširno teoretično predznanje. Le upamo lahko, da se dobra praksa v prihodnosti ne bo razvila v stihijske in impulzivne nakupe opreme; s krčenjem sredstev za znanost se namreč utegne zgoditi, da nam zmanjka denarja za znanstvenika, ki bo z mikroskopom rokoval.

Tabela 1: pregled instalacij presevnih elektronskih mikroskopov v Sloveniji

Dr. Janez Zavašnik, doktor nanoznanosti in nanotehnologij, je zaposlen na Institutu »Jožef Stefan« v Centru za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo (CEMM) in trenutno na podoktorskem izpopolnjevanju na Max-Planck-Institut für Eisenforschung v Düsseldorfu. Poleg elektronov, fotografije in zgodovine znanosti ga zanima predvsem kristalografija v vseh oblikah. V svetu elektronov je vse črno-belo!