რა არის ელექტრონული მიკროსკოპი? მოკლე ისტორია და2017 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში

ელექტრონული მიკროსკოპის ისტორია20. საუკუნის დასაწყისში პირველი ელექტრომაგნიტური ლინზის გამოგონებით დაიწყო. მისი თვისებებით ცოცხალი და არაცოცხალი სტრუქტურების უფრო დეტალური შესწავლა შესაძლებელი გახდა. ამ მიკროსკოპს კლასიკური ოპტიკური მიკროსკოპის, მანამდე პირველი და ერთადერთი არჩევანის, შესაძლებლობების გადაჭარბება შეეძლო.

ტერმინი მიკროსკოპი ბერძნული პატარას მნიშვნელობის მქონე „mikros“ და ყურების მნიშვნელობის მქონე „skopeo“ სიტყვებიდან მომდინარეობს. მეცნიერების ისტორია სავსეა მიკროსკოპით უახლოესის და ტელესკოპით უშორესის შესწავლის ამაღელვებელი, შთამაგონებელი ისტორიებით.

მიკროსკოპმა ბიოლოგიაში უჯრედების, ვირუსებისა და სხვა ნაწილაკების, გეოლოგიაში კი რთული ქვების, მინერალებისა და ნამარხების კვლევით წარსულსა და მომავალზე წარმოდგენა მოგვცა.

სტატიის სურათიუჯრედულ კულტურაში გამრავლებული ორი ადენოკარცინომის უჯრედის სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპის გამოსახულებაა. ნანოზომის ობიექტებს ფერი არ აქვთ, ამიტომ მოგვიანებით გააფერადეს. ორმა კიბოს უჯრედმა გაყოფა დაასრულა და მხოლოდ რამდენიმე ციტოპლაზმური ძაფითაა დაკავშირებული. ადენოკარცინომა ფილტვის, მსხვილი ნაწლავის, პროსტატის, საყლაპავის ან კუჭის ჯირკვლოვანი უჯრედებიდან შეიძლება წარმოიშვას.

ელექტრონული მიკროსკოპის ისტორია

Hans Busch-მა პირველი ელექტრომაგნიტური ლინზა1926 წელს გამოიგონა და1928 წელს დააპატენტა, თუმცა თავად ელექტრონული მიკროსკოპი არ გამოუგონებია.

ელექტრონული მიკროსკოპი1931 წელს ბერლინის უნივერსიტეტის ფიზიკოსმა და ელექტროინჟინრებმა Ernst Ruska-მ და Max Knoll-მა გამოიგონეს. პროტოტიპი400-ჯერ ადიდებდა და ამ ტექნოლოგიის შესაძლებლობის პირველი დემონსტრაცია იყო.

1933 წელს Ernst Ruska-მ საწყის მოდელზე გაუმჯობესებული, ოპტიკურზე მაღალი გარჩევადობის ელექტრონული მიკროსკოპი შექმნა.1937 წელს Bodo von Borries და Helmet Ruska შეუერთდნენ და ბიოლოგიური ნიმუშების კვლევის გამოყენებებში დაეხმარნენ. იმავე წელს Manfred von Ardenne-მ პირველი სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპი (scanning electron microscope, SEM) შეიმუშავა.

Siemens-Schuckertwerke-მ1938 წელს პირველი კომერციული ელექტრონული მიკროსკოპი წარმოადგინა. ამის შემდეგ გამჭოლი ელექტრონული მიკროსკოპები (transmission electron microscope, TEM) მსოფლიოს სამეცნიერო ცენტრებში უფრო ხელმისაწვდომი გახდა.

ქვემოთ მოცემულ სურათზეატომიდან მაკრომოლეკულებამდე ობიექტების ზომებია ნაჩვენები.

რა თვისებების მიკროსკოპია საჭირო ვირუსებისა და ბაქტერიების გამოსასახად?

ვირუსების ზომა20 - 300 ნანომეტრია (nm).1 ნანომეტრი მეტრის მემილიარდედია. ბაქტერიები0.5 - 5 მიკრომეტრია (მიკრონი).1 მიკრონი მეტრის მემილიონედია.

• ოპტიკური (კლასიკური) მიკროსკოპები: 350 nm-მდე სტრუქტურებს აჩვენებს. კონფოკალური მიკროსკოპები ოდნავ მეტ გადიდებას, დაახლოებით250 nm-მდე გამოსახულებას იძლევა. ახლო ველის სკანირებადი ოპტიკური მიკროსკოპი კი50 nm-მდე.
• SEM (სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპი): გარჩევადობა1 nm-მდეა, მაღალ ვაკუუმში მუშაობს. ბიოლოგიური ნიმუშებისთვის Cryo SEM რეჟიმში შეიძლება იმუშაოს. 2017 წლის ნობელის პრემია ქიმიაშიკრიოელექტრონული მიკროსკოპიის კვლევებისთვის Jacques Dubochet-ს, Joachim Frank-სა და Richard Henderson-ს მიენიჭათ (დეტალები ბოლოს).
• S/TEM (გამჭოლი ელექტრონული მიკროსკოპი): გარჩევადობა0.1 nm-მდეა, მაღალ ვაკუუმში მუშაობს. ბიოლოგიური ნიმუშებისთვის Cryo S/TEM რეჟიმში შეიძლება იმუშაოს.

სინათლის, განსაკუთრებით კონფოკალური მიკროსკოპით, ბაქტერიებს „ბუნებრივ“ გარემოში ადვილად ვხედავთ.

ვირუსების უმეტესობას SEM ან TEM-ით (ხშირად კრიორეჟიმით) იკვლევენ — შესაბამისად, მკვდარია.

გამოსახულებების მაგალითები:

1. კომბუჩა ნახევრადგამტარ გარსში Gluconacetobacter-ის (ბაქტერია) და საფუარის (სოკო) უჯრედების ოპტიკური მიკროსკოპული გამოსახულება.
   
2. Smian როტავირუსის ნაწილაკებიდან გამომავალი ორჯაჭვიანი RNA გენომის კრიოელექტრონული მიკროსკოპული გამოსახულება.
   
3. E.coli ბაქტერიის დამაინფიცირებელი T4 ბაქტერიოფაგები
   

თანამედროვე ელექტრონული მიკროსკოპი და მომავალი

გამჭოლი ელექტრონული მიკროსკოპები სამეცნიერო კვლევაში ნიმუშების უფრო მაღალი გარჩევადობით შესწავლის საშუალებას იძლევა და გარემომცველი სამყაროს გაგებას გვიადვილებს.

თანამედროვე ელექტრონულ მიკროსკოპებს პირველ მოდელებთან შედარებით მეტი გადიდება და მაღალი გარჩევადობა აქვს. თუმცა პრინციპები Ernst Ruska-ს პირველ პროტოტიპს ეფუძნება. ქვემოთ ჩანს1933 წელს მის მიერ გამოგონილი პირველი მიკროსკოპის1980 წელს ორიგინალის მსგავსად შექმნილი ასლის ფოტო.

ელექტრონულმა მიკროსკოპებმა ოპტიკურის საზღვრები გადალახა და უკეთესი გარჩევადობით ატომის მსგავსი მიკროსკოპული ობიექტების კვლევა შესაძლებელი გახდა. გაუმჯობესება დღესაც გრძელდება. მაგალითად, იწარმოება გარემოს სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპი ნიმუშის ნაკლებვაკუუმიან კამერაში შესასწავლად.

2017 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში კრიოელექტრონული მიკროსკოპიის კვლევებს მიენიჭა

Jacques Dubochet, Joachim Frank და Richard Henderson კრიოელექტრონული მიკროსკოპიისთვის2017 წლის ნობელის პრემიის ღირსნი გახდნენ. კრიო გაყინვას ნიშნავს; ამ ტექნიკამ ბიოლოგიური მოლეკულების მაღალი გარჩევადობით გამოსახვა შესაძლებელი გახადა.

Cambridge-ის უნივერსიტეტის MRC მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორიაში მომუშავე Prof. Dr. Richard Henderson1990-იან წლებში ელექტრონული მიკროსკოპით ცილის სტრუქტურის ატომურ მასშტაბზე განსაზღვრასშეძლო.

Columbia-ს უნივერსიტეტში მომუშავე Prof. Dr. Joachim Frank1975-1986 წლების კვლევებით გამოსახულების დამუშავების მეთოდი შექმნა. ამით მიკროსკოპის ორგანზომილებიანი სურათების ანალიზით სამგანზომილებიანი სტრუქტურების განსაზღვრა დაიწყო.

Lausanne-ის უნივერსიტეტში მომუშავე Prof. Dr. Jacques Dubochetწყალში მოლეკულების სტრუქტურის განსაზღვრის მეთოდი შექმნა. ელექტრონული მიკროსკოპით საკვლევი მასალები ძალიან დაბალი სიმკვრივის გარემოში თავსდება. თუმცა წყალში ბიომოლეკულის შემთხვევაში სწრაფი აორთქლება მის სტრუქტურას არღვევს. Dubochet-მ1980-იანი წლების დასაწყისში წყლის ძალიან სწრაფი გაგრილების მეთოდი შეიმუშავა, რითაც ბიომოლეკულები სტრუქტურის დაურღვევლად გამყარდა. ამით ბიომოლეკულების ცოცხალი ქსოვილების მსგავს, წყლიან გარემოში ბუნებრივი სტრუქტურის განსაზღვრის გზა გაიხსნა.

ელექტრონული მიკროსკოპით ბიომოლეკულების სასურველი გარჩევადობით განსაზღვრა მრავალწლიანი ძალისხმევის შემდეგ მხოლოდ2013 წელს გახდა შესაძლებელი. დღეს კრიოელექტრონული მიკროსკოპიით ცილებიდან ვირუსებამდე მრავალი სტრუქტურა განისაზღვრება.