Elektron Mikroskobu Nedir? Kısaca Tarihçesi ve 2017 Nobel Kimya Ödülü

Elektron mikroskobunun serüveni, 20. yüzyılın başlarında ilk elektromanyetik lensin icadıyla başlamıştır. Bu lensin özelliklerini kullanarak canlı ve cansız yapıların daha detaylı incelenebilmesi elektron mikroskop ile mümkün olmuştur. Bu mikroskop ilk ve tek seçenek olan klasik optik mikroskobun özelliklerini geçebilecek yeterli kapasitedeydi.

Mikroskop terimi, Yunanca küçük anlamındaki "mikros" ve bakmak anlamına gelen "skopeo" kelimelerinden türemektedir. Bilim tarihi, mikroskop ile en yakını, teleskop ile en uzağı incelemenin heyecan ve ilham veren öyküleri ile doludur.

Mikroskop biyolojide hücreleri, virüsleri ve diğer partikülleri; jeolojide ise karmaşık yapıdaki taşları, mineralleri ve fosilleri inceleyerek tarih ve gelecek hakkında fikir sahibi olmamızı sağlamıştır.

Haberin resmi, hücre kültüründe çoğalan iki adenokarsinom hücresine ait bir taramalı elektron mikroskobu görüntüsüdür. Nano-boyutta nesnelerin rengi yoktur, bu nedenle sonradan renklendirilmiştir. Bu iki kanser hücresi bölünmesini tamamlamışlar ve sadece birkaç sitoplazmik filament ile birbirleriyle bağlı kalmışlar. Adenokarsinomlar, akciğer, kolon, prostat, yemek borusu veya midenin glandüler hücrelerinden kaynaklanabilir.

Elektron mikroskobunun tarihçesi

İlk elektromanyetik lensi Hans Busch 1926’da icat etti ve 1928’de lensin patentini alsa da elektron mikroskobunu kendisi icat etmedi.

Elektron mikroskobunu 1931’de Berlin Üniversitesin’den fizikçi ve elektrik mühendisleri Ernst Ruska ve Max Knoll icat etti. Bu prototip 400 kat büyütme gücüne sahipti ve elektron mikroskop ile neler başarılabileceğini gösteren ilk icattı.

1933’te Ernst Ruska orijinal modelin daha üst seviyesi olan ve optik mikroskopa göre daha fazla çözünürlüğe sahip bir elektron mikroskop üretti. 1937’de Bodo von Borries ve Helmet Ruska, kendisine katılıp biyolojik örneklerin incelenmesi gibi uygulamalar yapabilmek için yardımcı oldular. Aynı yıl içerisinde Manfred von Ardenne ilk scanning taramalı elektron mikroskobu (scanning electron microscope, SEM) geliştirdi.

Siemens-Schuckertwerke 1938’de halka ilk ticari elektron mikroskobu sundu. Bu andan sonra transmisyon elektron mikroskopları (transmission electron microscope, TEM) dünyanın birçok bilim merkezinde daha ulaşılabilir hale geldi.

Aşağıdaki şekilde, atomdan makromoleküllere kadar cisimlerin boyutları resmedilmiştir.

Virüsleri ve bakterileri görüntülemek için gerekli olan mikroskop türünün özellikleri nelerdir?

Virüsler 20 - 300 nanometre (nm) boyutundadır. 1 nanometre bir metrenin milyarda biridir. Bakteriler 0.5 - 5 mikrometre (mikron) boyutundadır. 1 mikron bir metrenin milyonda biridir.

• Optik (klasik) mikroskoplar: 350 nm'ye kadar boyuttaki yapıları gösterebilir. Konfokal mikroskoplar biraz daha büyütme sağlayarak yaklaşık 250 nm’ye kadar görüntü sağlar. Taramalı yakın alan optik mikroskop ise 50 nm'ye kadar.
• SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu): 1 nm'ye kadar çözünürlük, yüksek vakumda çalışır. Biyolojik örnekler için Cryo SEM olarak çalışabilir. 2017 Nobel Kimya Ödülü, kriyo-elektron mikroskobu çalışmaları ile Jacques Dubochet, Joachim Frank ve Richard Henderson’a verildi (detaylar yazının sonunda).
• S/TEM (Transmisyon Elektron Mikroskobu): 0.1 nm'ye kadar çözünürlük, yüksek vakumda çalışır. Biyolojik örnekler için Cryo S/TEM olarak çalışabilir.

Işık mikroskopları ile – özellikle de konfokal olanları ile – bakterileri “doğal” çevrelerinde kolayca görebiliriz.

Virüslerin çoğunluğu SEM veya TEM'de (çoğu durumda kriyo ile) incelenir – dolayısıyla ölüdürler.

Örnek görüntüler:

1. Kombu çayı yarı geçirgen zarında Gluconacetobacter (bakteri) ve yeast (mantar) hücrelerinin optik mikroskobi görüntüsü.
   
2. Smian rotavirüs partiküllerinden çıkan çift zincirli RNA genomunun Cryo-elektron mikroskobu görüntüsü.
   
3. E.coli bakterisini infekte eden T4 bakteriofajları
   

Günümüzde elektron mikroskobu ve gelecek

Transmisyon elektron mikroskopları, bilimsel araştırmalarda örnekleri daha yüksek çözünürlükte inceleme imkanı sunmakta ve etrafımızdaki dünyayı daha iyi anlamamızı sağlamaktadır.

Modern elektron mikroskopların ilk modellere göre artık daha fazla büyütme oranı ve daha yüksek çözünürlüğe sahiptirler. Ancak elektron mikroskopun prensipleri Ernst Ruska’nın icat ettiği ilk prototipine dayanmaktadır. Aşağıdaki şekilde, Ernst Ruska’nın 1933'te icat ettiği ilk elektron mikroskobunun 1980 yılında aslına benzer tasarlanan bir kopyasının fotoğrafını görebilirsiniz.

Elektron mikroskopları optik mikroskopların sınırlarını aşmıştır ve geliştirilmiş çözünürlüğü sayesinde atom gibi mikroskobik objeleri incelemek mümkündür. Elektron mikroskoplarına geliştirmeler günümüzde de devam etmektedir. Örnek olarak numuneyi daha düşük vakumlu bir haznede incelemek için çevresel tarayıcılı bir elektron mikroskop üretim aşamasındadır.

2017 Nobel Kimya Ödülü kriyo-elektron mikroskobu çalışmalarına verildi

Kriyo-elektron mikroskobu çalışmaları ile Jacques Dubochet, Joachim Frank ve Richard Henderson, 2017 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü. Kriyo, dondurma anlamına gelmektedir ve elektron mikroskobunun bu tekniği, biyolojik moleküllerin yüksek çözünürlükle görüntülenmesine imkân vermiştir.

Cambridge Üniversitesi’ne bağlı MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nda çalışan Prof. Dr. Richard Henderson, 1990’larda elektron mikroskobu kullanarak bir proteinin yapısını atom ölçeğinde belirlemeyi başardı.

Columbia Üniversitesi’nde çalışan Prof. Dr. Joachim Frank, 1975-1986 arasında yaptığı çalışmalarla bir görüntü işleme yöntemi geliştirdi. Böylece mikroskoplardan alınan iki boyutlu görüntüler analiz edilerek üç boyutlu yapılar belirlenmeye başlandı.

Lausanne Üniversitesi’nde çalışan Prof. Dr. Jacques Dubochet, su içindeki moleküllerin yapılarının belirlenmesini sağlayan bir yöntem geliştirdi. Elektron mikroskoplarıyla yapısı belirlenmeye çalışılan malzemeler, çok düşük yoğunluklu bir ortamın içine konur. Ancak malzeme su içindeki bir biyomolekül olduğunda, suyun düşük yoğunluklu ortamda hızla buharlaşmasıyla beraber biyomoleküllerin yapısı bozulur. Dubochet, 1980’lerin başlarında suyun çok hızlı bir biçimde soğutulduğu bir yöntem geliştirerek biyomoleküllerin yapıları bozulmadan katılaşmasını sağladı. Böylece biyomoleküllerin, canlı dokularda olduğu gibi, sulu ortam içindeki doğal yapılarının belirlenmesinin yolu açıldı.

Elektron mikroskobunun biyomolekülleri arzu edilen çözünürlükte belirlemesi, yıllar süren çabalardan sonra ancak 2013 yılında mümkün oldu. Bugün kriyo-elektron mikroskobisiyle proteinlerden virüslere kadar pek çok şeyin yapısı belirlenebiliyor.