میکروسکوپ الکترونی چیست؟ تاریخچهٔ کوتاه و نوبل شیمی 2017

ماجرای میکروسکوپ الکترونی از اختراع نخستین عدسی الکترومغناطیسی در اوایل قرن 20 آغاز شد. با ویژگی این عدسی، بررسی دقیق‌تر ساختار زنده و غیرزنده ممکن شد. ظرفیت دستگاه از میکروسکوپ نوری کلاسیک، نخستین و تنها گزینهٔ پیشین، فراتر بود.

اصطلاح میکروسکوپ از واژه‌های یونانی با معنای، کوچک، یعنی، «mikros» و نگاه کردن، یعنی، «skopeo» مشتق است. تاریخ علم پر از داستان الهام‌بخش دیدن نزدیک‌ترین با میکروسکوپ و دورترین با تلسکوپ است.

میکروسکوپ در زیست‌شناسی با بررسی سلول، ویروس، و ذرات دیگر و در زمین‌شناسی با سنگ پیچیده، مادهٔ معدنی و فسیل، شناخت گذشته و آینده را ممکن کرد.

تصویر خبر،میکروگراف الکترونی روبشی از دو سلول، آدنوکارسینوم، در کشت است. اجسام نانویی رنگ ندارند و تصویر بعداً رنگی شده است. دو سلول تقسیم را کامل کرده و فقط با چند رشتهٔ سیتوپلاسمی متصل‌اند. آدنوکارسینوم از سلول غده‌ای ریه، کولون، پروستات، مری یا معده منشأ می‌گیرد.

تاریخچهٔ میکروسکوپ الکترونی

Hans Busch نخستین عدسی الکترومغناطیسی را در 1926 اختراع و در 1928 ثبت کرد، اما خود میکروسکوپ را نساخت.

در 1931 فیزیک‌دان و مهندسان برق دانشگاه برلین، Ernst Ruska و Max Knoll، آن را ساختند. نمونهٔ اولیه 400 برابر بزرگ می‌کرد و نخستین نمایش توان دستگاه بود.

در 1933، Ernst Ruska مدلی بهتر و با وضوح بیشتر از نوری ساخت. در 1937، Bodo von Borries و Helmet Ruska برای کاربردهایی مانند نمونهٔ زیستی پیوستند. همان سال Manfred von Ardenne نخستین میکروسکوپ الکترونی روبشی (scanning electron microscope, SEM) را توسعه داد.

Siemens-Schuckertwerke در 1938 نخستین دستگاه تجاری را عرضه کرد؛ سپس میکروسکوپ الکترونی عبوری (transmission electron microscope, TEM) در مراکز علمی جهان در دسترس‌تر شد.

در شکل زیر،اندازهٔ اجسام از اتم تا ماکرومولکول نشان داده شده است.

ویژگی میکروسکوپ لازم برای دیدن ویروس و باکتری چیست؟

ویروس 20 - 300 نانومتر (nm) است. 1 نانومتر یک‌میلیاردم متر است. باکتری 0.5 - 5 میکرومتر یا میکرون است. 1 میکرون یک‌میلیونم متر است.

• میکروسکوپ نوری (کلاسیک): ساختار تا 350 nm را نشان می‌دهد. کانفوکال با بزرگ‌نمایی بیشتر تا حدود 250 nm و نوری میدان نزدیک روبشی تا 50 nm تصویر می‌دهد.
• SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی): وضوح تا 1 nm، کار در خلأ بالا؛ برای نمونهٔ زیستی می‌تواند Cryo SEM باشد. نوبل شیمی 2017،برای پژوهش کرایو-الکترون به Jacques Dubochet، Joachim Frank و Richard Henderson داده شد؛ جزئیات در پایان.
• S/TEM (میکروسکوپ الکترونی عبوری): وضوح تا 0.1 nm، کار در خلأ بالا؛ برای زیستی می‌تواند Cryo S/TEM باشد.

با نوری، به‌ویژه کانفوکال، باکتری را آسان در محیط «طبیعی» می‌بینیم.

بیشتر ویروس‌ها با SEM یا TEM، اغلب کرایو، بررسی می‌شوند و بنابراین مرده‌اند.

نمونهٔ تصویر:

1. چای کامبوچا، در غشای نیمه‌تراوای آن، تصویر نوری سلول باکتری Gluconacetobacter و مخمر (قارچ).
   
2. تصویر کرایو-الکترون ژنوم RNA دورشته‌ای خارج‌شده از ذرات روتاویروس Smian.
   
3. باکتریوفاژهای T4 آلوده‌کنندهٔ E.coli
   

میکروسکوپ الکترونی امروز و آینده

میکروسکوپ عبوری امکان بررسی نمونه با وضوح بیشتر را در پژوهش می‌دهد و درک جهان پیرامون را بهتر می‌کند.

میکروسکوپ‌های الکترونی مدرن اکنون نسبت به مدل‌های نخست، بزرگ‌نمایی بیشتر و وضوح بالاتری دارند. اما اصول آن‌ها به نمونهٔ اولیهٔ اختراعی Ernst Ruska متکی است. در شکل زیر می‌توانید عکس نسخهٔ بازسازی‌شدهٔ نخستین میکروسکوپ اختراعی او در 1933 را ببینید که در 1980 شبیه اصل ساخته شده است.

الکترونی از محدودیت نوری گذشته و با وضوح بهتر، بررسی اجسام میکروسکوپی مانند اتم ممکن شده است. توسعه ادامه دارد؛ مثلاً مدل روبشی محیطی برای بررسی در محفظهٔ خلأ کمتر در حال ساخت است.

نوبل شیمی 2017 به پژوهش کرایو-الکترون داده شد

Jacques Dubochet، Joachim Frank و Richard Henderson برای کرایو-الکترون نوبل شیمی 2017 گرفتند. کرایو یعنی انجماد و این فن، تصویربرداری پُروضوح مولکول زیستی را ممکن کرد.

در آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی MRC دانشگاه Cambridge، پروفسور دکتر Richard Henderson،در دههٔ 1990 با میکروسکوپ الکترونی، ساختار پروتئین در مقیاس اتمی را تعیین کرد،و موفق شد.

در دانشگاه Columbia، پروفسور دکتر Joachim Frank،در 1975-1986 روش پردازش تصویر ساخت؛ با تحلیل تصاویر دوبعدی میکروسکوپ، تعیین ساختار سه‌بعدی، آغاز شد.

در دانشگاه Lausanne، پروفسور دکتر Jacques Dubochet،روشی برای تعیین ساختار مولکول در آب ساخت. مواد برای بررسی الکترونی در محیط بسیار کم‌چگال قرار می‌گیرند، اما در زیست‌مولکول آبی، تبخیر سریع آب ساختار را خراب می‌کند. در اوایل دههٔ 1980، روشی با سرد کردن بسیار سریع آب ساخت تا زیست‌مولکول بدون تخریب ساختار جامد شود. بنابراین راه تعیین ساختار طبیعی در آب، مانند بافت زنده، باز شد.

پس از سال‌ها تلاش، وضوح مطلوب زیست‌مولکول با الکترونی فقط در 2013 ممکن شد. امروز ساختار پروتئین تا ویروس با کرایو-الکترون تعیین می‌شود.