Elektron mikroskopu nədir? Qısa tarixçəsi və 2017 Nobel Kimya Mükafatı

Elektron mikroskopunun səyahəti 20-ci əsrin əvvəllərində ilk elektromaqnit linzanın ixtirası ilə başlamışdır. Bu linzanın xüsusiyyətlərindən istifadə edərək canlı və cansız strukturların daha ətraflı araşdırılması elektron mikroskopu ilə mümkün olmuşdur. Bu mikroskop ilk və yeganə seçim olan klassik optik mikroskopun xüsusiyyətlərini üstələməyə kifayət edən imkanlara malik idi.

Mikroskop termini yunanca kiçik mənasını verən "mikros" və baxmaq mənasını verən "skopeo" sözlərindən yaranmışdır. Elm tarixi mikroskopla ən yaxını, teleskopla ən uzağı araşdırmağın həyəcanlandırıcı və ilhamverici hekayələri ilə doludur.

Mikroskop biologiyada hüceyrələri, virusları və digər hissəcikləri; geologiyada isə mürəkkəb quruluşlu daşları, mineralları və fosilləri araşdıraraq tarix və gələcək haqqında təsəvvür əldə etməyimizi təmin etmişdir.

Xəbərin şəkli, hüceyrə kulturasında çoxalan iki adenokarsinoma hüceyrəsinə aid skanedici elektron mikroskopu görüntüsüdür. Nanoölçülü obyektlərin rəngi yoxdur, buna görə sonradan rənglənmişdir. Bu iki xərçəng hüceyrəsi bölünməsini tamamlamış və yalnız bir neçə sitoplazmatik filamentlə bir-birinə bağlı qalmışdır. Adenokarsinomalar ağciyər, yoğun bağırsaq, prostat, qida borusu və ya mədənin vəzili hüceyrələrindən yarana bilər.

Elektron mikroskopunun tarixçəsi

İlk elektromaqnit linzanı Hans Busch 1926-cı ildə ixtira etdi və 1928-ci ildə linzanın patentini alsa da, elektron mikroskopunu özü ixtira etmədi.

Elektron mikroskopunu 1931-ci ildə Berlin Universitetindən fizik və elektrik mühəndisləri Ernst Ruska və Max Knoll ixtira etdilər. Bu prototip 400 dəfə böyütmə gücünə malik idi və elektron mikroskopu ilə nələrə nail olunacağını göstərən ilk ixtira idi.

1933-cü ildə Ernst Ruska orijinal modelin daha təkmil variantı olan və optik mikroskopdan daha yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malik elektron mikroskopu hazırladı. 1937-ci ildə Bodo von Borries və Helmet Ruska ona qoşularaq bioloji nümunələrin araşdırılması kimi tətbiqləri həyata keçirmək üçün kömək etdilər. Həmin il Manfred von Ardenne ilk skanedici elektron mikroskopunu (scanning electron microscope, SEM) inkişaf etdirdi.

Siemens-Schuckertwerke 1938-ci ildə ilk kommersiya elektron mikroskopunu ictimaiyyətə təqdim etdi. Bundan sonra transmissiya elektron mikroskopları (transmission electron microscope, TEM) dünyanın bir çox elm mərkəzində daha əlçatan oldu.

Aşağıdakı şəkildə, atomdan makromolekullara qədər cisimlərin ölçüləri təsvir edilmişdir.

Virusları və bakteriyaları görüntüləmək üçün lazım olan mikroskop növünün xüsusiyyətləri hansılardır?

Virusların ölçüsü 20 - 300 nanometrdir (nm). 1 nanometr metrin milyardda biridir. Bakteriyalar 0.5 - 5 mikrometr (mikron) ölçüsündədir. 1 mikron metrin milyonda biridir.

• Optik (klassik) mikroskoplar: 350 nm-ə qədər ölçüdə strukturları göstərə bilər. Konfokal mikroskoplar bir qədər çox böyütmə təmin edərək təxminən 250 nm-ə qədər görüntü verir. Skanedici yaxın sahəli optik mikroskop isə 50 nm-ə qədər.
• SEM (Skanedici Elektron Mikroskopu): 1 nm-ə qədər ayırdetmə qabiliyyəti ilə yüksək vakuumda işləyir. Bioloji nümunələr üçün Cryo SEM kimi işləyə bilər. 2017 Nobel Kimya Mükafatı, krioelektron mikroskopiyası tədqiqatlarına görə Jacques Dubochet, Joachim Frank və Richard Hendersona verildi (ətraflı məlumat yazının sonundadır).
• S/TEM (Transmissiya Elektron Mikroskopu): 0.1 nm-ə qədər ayırdetmə qabiliyyəti ilə yüksək vakuumda işləyir. Bioloji nümunələr üçün Cryo S/TEM kimi işləyə bilər.

İşıq mikroskopları ilə — xüsusilə konfokal olanlarla — bakteriyaları “təbii” mühitlərində asanlıqla görə bilərik.

Virusların əksəriyyəti SEM və ya TEM-də (əksər hallarda krio ilə) araşdırılır — buna görə də ölüdürlər.

Nümunə görüntülər:

1. Kombu çayı yarımkeçirici qişasında Gluconacetobacter (bakteriya) və yeast (göbələk) hüceyrələrinin optik mikroskopiya görüntüsü.
   
2. Smian rotavirus hissəciklərindən çıxan ikizəncirli RNA genomunun krioelektron mikroskopu görüntüsü.
   
3. E.coli bakteriyasını yoluxduran T4 bakteriofaqları
   

Bu gün elektron mikroskopu və gələcək

Transmissiya elektron mikroskopları elmi tədqiqatlarda nümunələri daha yüksək ayırdetmə qabiliyyəti ilə araşdırmağa imkan verir və ətrafımızdakı dünyanı daha yaxşı anlamağımızı təmin edir.

Müasir elektron mikroskopları ilk modellərə nisbətən artıq daha yüksək böyütmə dərəcəsinə və ayırdetmə qabiliyyətinə malikdir. Lakin elektron mikroskopunun prinsipləri Ernst Ruskanın ixtira etdiyi ilk prototipə əsaslanır. Aşağıdakı şəkildə Ernst Ruskanın 1933-cü ildə ixtira etdiyi ilk elektron mikroskopunun 1980-ci ildə əslinə bənzər hazırlanmış surətinin fotoşəklini görə bilərsiniz.

Elektron mikroskopları optik mikroskopların məhdudiyyətlərini aşmışdır və təkmilləşdirilmiş ayırdetmə qabiliyyəti sayəsində atom kimi mikroskopik obyektləri araşdırmaq mümkündür. Elektron mikroskoplarının təkmilləşdirilməsi bu gün də davam edir. Məsələn, nümunəni daha aşağı vakuumlu kamerada araşdırmaq üçün ətraf mühit skanedici elektron mikroskopu istehsal mərhələsindədir.

2017 Nobel Kimya Mükafatı krioelektron mikroskopiyası tədqiqatlarına verildi

Krioelektron mikroskopiyası tədqiqatlarına görə Jacques Dubochet, Joachim Frank və Richard Henderson 2017 Nobel Kimya Mükafatına layiq görüldülər. Krio dondurma deməkdir və elektron mikroskopunun bu texnikası bioloji molekulların yüksək ayırdetmə qabiliyyəti ilə görüntülənməsinə imkan yaratmışdır.

Cambridge Universitetinə bağlı MRC Molekulyar Biologiya Laboratoriyasında çalışan Prof. Dr. Richard Henderson, 1990-cı illərdə elektron mikroskopundan istifadə edərək bir zülalın quruluşunu atom miqyasında müəyyənləşdirməyə nail oldu.

Columbia Universitetində çalışan Prof. Dr. Joachim Frank, 1975-1986-cı illər arasında apardığı tədqiqatlarla görüntülərin emalı üsulunu hazırladı. Beləliklə, mikroskoplardan alınan ikiölçülü görüntülər təhlil edilərək üçölçülü strukturlar müəyyənləşdirilməyə başlandı.

Lausanne Universitetində çalışan Prof. Dr. Jacques Dubochet, sudakı molekulların quruluşunu müəyyənləşdirməyə imkan verən üsul hazırladı. Elektron mikroskopları ilə quruluşu müəyyənləşdirilməyə çalışılan materiallar çox aşağı sıxlıqlı mühitə yerləşdirilir. Lakin material sudakı biomolekul olduqda suyun aşağı sıxlıqlı mühitdə sürətlə buxarlanması ilə biomolekulların quruluşu pozulur. Dubochet 1980-ci illərin əvvəllərində suyun çox sürətlə soyudulduğu üsul hazırlayaraq biomolekulların quruluşu pozulmadan bərkiməsini təmin etdi. Beləliklə, biomolekulların canlı toxumalarda olduğu kimi sulu mühitdəki təbii quruluşunu müəyyənləşdirməyə yol açıldı.

Elektron mikroskopunun biomolekulları arzu edilən ayırdetmə qabiliyyəti ilə müəyyənləşdirməsi illərlə davam edən səylərdən sonra yalnız 2013-cü ildə mümkün oldu. Bu gün krioelektron mikroskopiyası ilə zülallardan viruslara qədər çox şeyin quruluşu müəyyənləşdirilə bilir.