ما المجهر الإلكتروني؟ تاريخه باختصار وجائزة نوبل للكيمياء 2017

بدأت رحلة المجهر الإلكتروني باختراع أول عدسة كهرومغناطيسية في أوائل القرن 20. وباستخدام خصائص هذه العدسة أتاح المجهر الإلكتروني فحص البنى الحية وغير الحية بتفصيل أكبر. وكانت قدرته كافية لتجاوز خصائص المجهر البصري التقليدي الذي كان الخيار الأول والوحيد.

اشتُق مصطلح المجهر من الكلمتين اليونانيتين صغير بمعنى «mikros» و ينظر بمعنى «skopeo» . وتاريخ العلم مليء بقصص مثيرة وملهمة عن فحص الأقرب بالمجهر والأبعد بالتلسكوب.

أتاح لنا المجهر تكوين فكرة عن التاريخ والمستقبل بفحص الخلايا و الفيروسات والجسيمات الأخرى في الأحياء، والصخور المعقدة البنية والمعادن والأحافير في الجيولوجيا.

صورة الخبرصورة بمجهر إلكتروني ماسح لخليتين من السرطان الغدي تتكاثران في مزرعة خلوية. وليس للأجسام بالحجم النانوي لون، لذا لُوّنت الصورة لاحقًا. أكملت الخليتان السرطانيتان انقسامهما، وبقيتا متصلتين ببعضهما ببضعة خيوط سيتوبلازمية فقط. وقد تنشأ السرطانات الغدية من الخلايا الغدية للرئة أو القولون أو البروستاتا أو المريء أو المعدة.

تاريخ المجهر الإلكتروني

اخترع Hans Busch أول عدسة كهرومغناطيسية في 1926، ورغم حصوله على براءتها في 1928 لم يخترع المجهر الإلكتروني بنفسه.

اخترع الفيزيائيان والمهندسان الكهربائيان Ernst Ruska وMax Knoll من جامعة برلين المجهر الإلكتروني في 1931. امتلك هذا النموذج الأولي قدرة تكبير 400 ضعف، وكان أول اختراع يُظهر ما يمكن إنجازه بالمجهر الإلكتروني.

في 1933 صنع Ernst Ruska مجهرًا إلكترونيًا أكثر تقدمًا من النموذج الأصلي وبدقة أعلى من المجهر البصري. وفي 1937 انضم إليه Bodo von Borries وHelmet Ruska لمساعدته في تطبيقات كفحص العينات البيولوجية. وفي السنة نفسها طوّر Manfred von Ardenne أول مجهر إلكتروني ماسح (scanning electron microscope, SEM).

قدمت Siemens-Schuckertwerke أول مجهر إلكتروني تجاري للجمهور في 1938. ومنذ ذلك الوقت أصبحت المجاهر الإلكترونية النافذة (transmission electron microscope, TEM) أكثر إتاحة في كثير من مراكز العلم حول العالم.

في الشكل أدناهتُصوَّر أحجام الأجسام من الذرة إلى الجزيئات الضخمة.

ما خصائص نوع المجهر اللازم لتصوير الفيروسات والبكتيريا؟

يتراوح حجم الفيروسات بين 20 - 300 نانومتر (nm). و1 نانومتر جزء من مليار من المتر. ويتراوح حجم البكتيريا بين 0.5 - 5 ميكرومتر (ميكرون). و1 ميكرون جزء من مليون من المتر.

• المجاهر البصرية (التقليدية): يمكنها إظهار بنى حتى حجم 350 nm. وتوفر المجاهر متحدة البؤر تكبيرًا أكبر قليلًا لتصوير يصل إلى نحو 250 nm. أما المجهر البصري الماسح للمجال القريب فيصل إلى 50 nm.
• SEM (المجهر الإلكتروني الماسح): دقة تصل إلى 1 nm، ويعمل في فراغ عالٍ. ويمكنه العمل بوضع Cryo SEM للعينات البيولوجية. جائزة نوبل للكيمياء 2017مُنحت إلى Jacques Dubochet وJoachim Frank وRichard Henderson عن أعمال المجهر الإلكتروني بالتبريد (التفاصيل في نهاية المقال).
• S/TEM (المجهر الإلكتروني النافذ): دقة تصل إلى 0.1 nm، ويعمل في فراغ عالٍ. ويمكنه العمل بوضع Cryo S/TEM للعينات البيولوجية.

يمكننا بالمجاهر الضوئية، ولا سيما متحدة البؤر، رؤية البكتيريا بسهولة في بيئاتها «الطبيعية».

تُفحص معظم الفيروسات في SEM أو TEM (بالتبريد في معظم الحالات)، وبالتالي تكون ميتة.

أمثلة صور:

1. شاي الكومبوتشا صورة بالمجهر البصري لخلايا Gluconacetobacter (بكتيريا) وyeast (فطر) في غشائه شبه المنفذ.
   
2. صورة بالمجهر الإلكتروني بالتبريد لجينوم RNA المزدوج السلسلة الخارج من جسيمات فيروس الروتا Smian.
   
3. عاثيات T4 التي تصيب بكتيريا E.coli
   

المجهر الإلكتروني اليوم والمستقبل

تتيح المجاهر الإلكترونية النافذة فحص العينات بدقة أعلى في الأبحاث العلمية، وتمكننا من فهم العالم المحيط بنا بصورة أفضل.

تمتلك المجاهر الإلكترونية الحديثة نسب تكبير ودقة أعلى من النماذج الأولى. لكن مبادئ المجهر الإلكتروني تستند إلى النموذج الأولي الذي اخترعه Ernst Ruska. وفي الشكل أدناه يمكن رؤية صورة لنسخة صُممت عام 1980 على غرار أول مجهر إلكتروني اخترعه Ernst Ruska في 1933.

تجاوزت المجاهر الإلكترونية حدود المجاهر البصرية، وبفضل دقتها المحسنة صار ممكنًا فحص أجسام مجهرية كالذرات. وما زالت التحسينات مستمرة اليوم. فمثلًا يوجد مجهر إلكتروني ماسح بيئي قيد الإنتاج لفحص العينة في حجرة ذات فراغ أقل.

جائزة نوبل للكيمياء 2017 مُنحت لأبحاث المجهر الإلكتروني بالتبريد

استحق Jacques Dubochet وJoachim Frank وRichard Henderson جائزة نوبل للكيمياء 2017 لأبحاثهم في المجهر الإلكتروني بالتبريد. ويعني كريو التجميد، وقد أتاحت هذه التقنية من المجهر الإلكتروني تصوير الجزيئات البيولوجية بدقة عالية.

نجح الأستاذ الدكتور Richard Hendersonالذي يعمل في مختبر MRC للأحياء الجزيئية التابع لجامعة كامبريدج، خلال عقد 1990 باستخدام المجهر الإلكتروني، في تحديد بنية بروتين بمقياس ذري.

وطوّر الأستاذ الدكتور Joachim Frankالذي يعمل بجامعة كولومبيا، بأسسه البحثية بين 1975-1986 طريقة لمعالجة الصور. وهكذا بدأت الصور الثنائية الأبعاد المأخوذة بالمجاهر تُحلَّل لتحديد البنى الثلاثية الأبعاد .

أما الأستاذ الدكتور Jacques Dubochetالذي يعمل بجامعة لوزان، فقد طوّر طريقة تتيح تحديد بنى الجزيئات في الماء. توضع المواد المراد تحديد بنيتها بالمجاهر الإلكترونية في وسط منخفض الكثافة جدًا. لكن عندما تكون المادة جزيئًا حيويًا في الماء، تتشوه بنية الجزيئات الحيوية مع تبخر الماء سريعًا في الوسط المنخفض الكثافة. وفي أوائل عقد 1980، طوّر Dubochet طريقة لتبريد الماء بسرعة كبيرة جدًا، وأتاح تصلب الجزيئات الحيوية دون تشوه بنيتها. وهكذا فُتح الطريق لتحديد البنى الطبيعية للجزيئات الحيوية داخل الوسط المائي، كما هي في الأنسجة الحية.

لم يصبح تحديد الجزيئات الحيوية بالدقة المطلوبة بالمجهر الإلكتروني ممكنًا إلا في 2013 بعد جهود استمرت سنوات. واليوم يمكن تحديد بنية أشياء كثيرة، من البروتينات إلى الفيروسات، بالمجهر الإلكتروني بالتبريد.