Was ist ein Elektronenmikroskop? Kurze Geschichte und der Chemienobelpreis 2017

Die Geschichte des Elektronenmikroskops begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Erfindung der ersten elektromagnetischen Linse. Ihre Eigenschaften ermöglichten es, mit dem Elektronenmikroskop belebte und unbelebte Strukturen genauer zu untersuchen. Dieses Mikroskop besaß genügend Leistungsfähigkeit, um die Eigenschaften des klassischen optischen Mikroskops zu übertreffen, das zuvor die erste und einzige Möglichkeit gewesen war.

Der Begriff Mikroskop leitet sich aus dem Griechischen ab: Aus dem Wort für klein, nämlich "mikros" und dem Wort für betrachten, nämlich "skopeo" entstand diese Bezeichnung. Die Wissenschaftsgeschichte ist voller spannender und inspirierender Geschichten darüber, mit dem Mikroskop das Nächste und mit dem Teleskop das Fernste zu untersuchen.

Das Mikroskop hat uns in der Biologie durch die Untersuchung von Zellen, Viren und anderen Partikeln sowie in der Geologie durch die Untersuchung komplex aufgebauter Gesteine, Mineralien und Fossilien Einblicke in Vergangenheit und Zukunft ermöglicht.

Das Bild zu diesem Beitragzeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von zwei in Zellkultur wachsenden Adenokarzinom zellen. Objekte im Nanobereich haben keine Farbe; deshalb wurde das Bild nachträglich eingefärbt. Diese beiden Krebszellen haben ihre Teilung abgeschlossen und sind nur noch durch einige zytoplasmatische Filamente verbunden. Adenokarzinome können aus Drüsenzellen von Lunge, Dickdarm, Prostata, Speiseröhre oder Magen entstehen.

Geschichte des Elektronenmikroskops

Hans Busch erfand 1926 die erste elektromagnetische Linse. Obwohl er 1928 ein Patent dafür erhielt, erfand er das Elektronenmikroskop nicht selbst.

1931 erfanden der Physiker und die Elektroingenieure Ernst Ruska und Max Knoll von der Universität Berlin das Elektronenmikroskop. Dieser Prototyp bot eine 400-fache Vergrößerung und war die erste Erfindung, die zeigte, was mit einem Elektronenmikroskop möglich war.

1933 stellte Ernst Ruska ein gegenüber dem Originalmodell verbessertes Elektronenmikroskop mit höherer Auflösung als ein optisches Mikroskop her. 1937 schlossen sich Bodo von Borries und Helmet Ruska ihm an und halfen dabei, Anwendungen wie die Untersuchung biologischer Proben zu ermöglichen. Im selben Jahr entwickelte Manfred von Ardenne das erste Rasterelektronenmikroskop, scanning electron microscope, SEM.

Siemens-Schuckertwerke stellte 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop vor. Danach wurden Transmissionselektronenmikroskope, transmission electron microscope, TEM, in vielen Forschungszentren weltweit leichter zugänglich.

In der folgenden Abbildungsind die Größen von Objekten vom Atom bis zu Makromolekülen dargestellt.

Welche Eigenschaften benötigt ein Mikroskop, um Viren und Bakterien abzubilden?

Viren sind 20 - 300 Nanometer (nm) groß. 1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Bakterien sind 0.5 - 5 Mikrometer, auch Mikron genannt, groß. 1 Mikron ist ein Millionstel Meter.

• Optische, klassische Mikroskope: Sie können Strukturen bis zu einer Größe von 350 nm darstellen. Konfokalmikroskope bieten etwas stärkere Vergrößerung und ermöglichen Bilder bis etwa 250 nm. Optische Nahfeldmikroskope erreichen 50 nm.
• SEM, Rasterelektronenmikroskop: Auflösung bis 1 nm; arbeitet im Hochvakuum. Für biologische Proben kann es als Kryo-SEM eingesetzt werden. Der Chemienobelpreis 2017wurde Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson für ihre Arbeiten zur Kryoelektronenmikroskopie verliehen. Einzelheiten folgen am Ende des Beitrags.
• S/TEM, Transmissionselektronenmikroskop: Auflösung bis 0.1 nm; arbeitet im Hochvakuum. Für biologische Proben kann es als Kryo-S/TEM eingesetzt werden.

Mit Lichtmikroskopen, insbesondere konfokalen, können wir Bakterien leicht in ihrer natürlichen Umgebung betrachten.

Die meisten Viren werden mit SEM oder TEM untersucht, meist mit Kryotechnik; sie sind daher tot.

Beispielaufnahmen:

1. Kombucha Lichtmikroskopische Aufnahme von Gluconacetobacter-Bakterien und Hefezellen, also Pilzen, in der semipermeablen Membran.
   
2. Kryoelektronenmikroskopische Aufnahme des doppelsträngigen RNA-Genoms, das aus Smian-Rotaviruspartikeln austritt.
   
3. T4-Bakteriophagen, die E.-coli-Bakterien infizieren
   

Das Elektronenmikroskop heute und in Zukunft

Transmissionselektronenmikroskope ermöglichen in der wissenschaftlichen Forschung die Untersuchung von Proben mit höherer Auflösung und helfen uns, die Welt um uns herum besser zu verstehen.

Moderne Elektronenmikroskope bieten im Vergleich zu den ersten Modellen eine stärkere Vergrößerung und höhere Auflösung. Ihre Prinzipien beruhen jedoch auf dem ersten von Ernst Ruska erfundenen Prototyp. Die folgende Abbildung zeigt das erste von Ernst Ruska 1933 erfundene Elektronenmikroskop als originalgetreu gestaltete Nachbildung aus dem Jahr 1980.

Elektronenmikroskope haben die Grenzen optischer Mikroskope überwunden. Dank ihrer verbesserten Auflösung können mikroskopische Objekte wie Atome untersucht werden. Die Weiterentwicklung dauert bis heute an. Beispielsweise befindet sich ein Umweltrasterelektronenmikroskop in Entwicklung, mit dem sich Proben in einer Kammer mit geringerem Vakuum untersuchen lassen.

Der Chemienobelpreis 2017 wurde für Arbeiten zur Kryoelektronenmikroskopie verliehen

Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson erhielten für ihre Arbeiten zur Kryoelektronenmikroskopie den Chemienobelpreis 2017. Kryo bedeutet Einfrieren; diese Technik der Elektronenmikroskopie ermöglichte hochauflösende Aufnahmen biologischer Moleküle.

Am MRC Laboratory of Molecular Biology der Universität Cambridge arbeitete Prof. Dr. Richard Henderson, dem es in den 1990er-Jahren mit einem Elektronenmikroskop gelang, die Struktur eines Proteins auf atomarer Ebene zu bestimmenund damit erfolgreich zu sein.

An der Columbia University arbeitete Prof. Dr. Joachim Frank, der mit seinen Arbeiten zwischen 1975-1986 ein Bildverarbeitungsverfahren entwickelte. Damit wurden zweidimensionale Mikroskopbilder analysiert, sodass dreidimensionale Strukturen bestimmt werden konnten.

An der Universität Lausanne arbeitete Prof. Dr. Jacques Dubochet, der ein Verfahren zur Strukturbestimmung von Molekülen in Wasser entwickelte. Materialien, deren Struktur mit Elektronenmikroskopen bestimmt werden soll, werden in eine Umgebung sehr geringer Dichte gebracht. Bei einem Biomolekül in Wasser verdampft das Wasser in dieser Umgebung jedoch rasch, wodurch sich die Struktur der Biomoleküle verändert. Anfang der 1980er-Jahre entwickelte Dubochet ein Verfahren, bei dem Wasser sehr schnell abgekühlt wird, sodass Biomoleküle erstarren, ohne ihre Struktur zu verlieren. Dadurch wurde es möglich, ihre natürliche Struktur in wässriger Umgebung so zu bestimmen, wie sie in lebendem Gewebe vorliegt.

Erst 2013 gelang es nach jahrelangen Bemühungen, Biomoleküle mit dem Elektronenmikroskop in der gewünschten Auflösung darzustellen. Heute lässt sich mit Kryoelektronenmikroskopie die Struktur vieler Dinge, von Proteinen bis zu Viren, bestimmen.