Ce este microscopul electronic? Scurtă istorie și Premiul Nobel pentru Chimie 2017

Istoria microscopului electronic a început la începutul secolului 20. cu inventarea primei lentile electromagnetice. Folosind proprietățile ei, microscopul electronic a permis examinarea mai detaliată a structurilor vii și nevii. Avea capacitatea de a depăși caracteristicile microscopului optic clasic, prima și singura opțiune de atunci.

Termenul microscop provine din greacă, mic fiind sensul cuvântului „mikros” iar a privi sensul cuvântului „skopeo” . Istoria științei abundă în povești captivante și inspiratoare despre examinarea celor mai apropiate lucruri prin microscop și a celor mai îndepărtate prin telescop.

În biologie, microscopul ne-a permis examinarea celulelor, virusurilor și altor particule, iar în geologie a rocilor complexe, mineralelor și fosilelor, pentru a înțelege istoria și viitorul.

Imaginea articolului este o imagine de microscopie electronică de baleiaj a două celule de adenocarcinom care se multiplică în cultură. Obiectele nanometrice nu au culoare, astfel că imaginea a fost colorată ulterior. Cele două celule canceroase încheiaseră diviziunea și rămăseseră legate numai prin câteva filamente citoplasmatice. Adenocarcinoamele pot proveni din celulele glandulare pulmonare, colonice, prostatice, esofagiene sau gastrice.

Istoria microscopului electronic

Hans Busch a inventat prima lentilă electromagnetică în 1926 și a brevetat-o în 1928, dar nu el a inventat microscopul electronic.

Microscopul electronic a fost inventat în 1931 de fizicienii și inginerii electrici Ernst Ruska și Max Knoll de la Universitatea Berlin. Prototipul avea o putere de mărire de 400 de ori și a fost prima invenție care demonstra posibilitățile microscopiei electronice.

În 1933, Ernst Ruska a produs un microscop electronic superior modelului original, cu rezoluție mai mare decât microscopul optic. În 1937, Bodo von Borries și Helmet Ruska i s-au alăturat pentru aplicații precum examinarea probelor biologice. În același an, Manfred von Ardenne a dezvoltat primul microscop electronic de baleiaj (scanning electron microscope, SEM).

Siemens-Schuckertwerke a oferit publicului primul microscop electronic comercial în 1938. Ulterior, microscoapele electronice de transmisie (transmission electron microscope, TEM) au devenit mai accesibile în numeroase centre științifice ale lumii.

În figura de mai jos sunt ilustrate dimensiunile obiectelor, de la atomi la macromolecule.

Care sunt caracteristicile microscopului necesar vizualizării virusurilor și bacteriilor?

Virusurile au dimensiuni de 20 - 300 nanometri (nm). 1 nanometru este o miliardime de metru. Bacteriile au 0.5 - 5 micrometri, microni. 1 micron este o milionime de metru.

• Microscoape optice (clasice): Pot arăta structuri până la 350 nm. Microscoapele confocale oferă o mărire puțin mai mare, cu imagini până la aproximativ 250 nm. Microscopul optic de câmp apropiat cu baleiaj ajunge la 50 nm.
• SEM (microscop electronic de baleiaj): Rezoluție până la 1 nm, funcționează în vid înalt. Pentru probe biologice poate funcționa ca Cryo SEM. Premiul Nobel pentru Chimie 2017 a fost acordat lui Jacques Dubochet, Joachim Frank și Richard Henderson pentru criomicroscopie electronică; detaliile sunt la sfârșitul articolului.
• S/TEM (microscop electronic de transmisie): Rezoluție până la 0.1 nm, funcționează în vid înalt. Pentru probe biologice poate funcționa ca Cryo S/TEM.

Cu microscoapele optice, mai ales confocale, putem vedea ușor bacteriile în mediul lor „natural”.

Majoritatea virusurilor sunt examinate prin SEM sau TEM, de obicei în condiții criogenice, fiind deci moarte.

Exemple de imagini:

1. Ceai kombucha : imagine de microscopie optică a celulelor Gluconacetobacter, bacterii, și yeast, fungi, din membrana semipermeabilă.
   
2. Imagine de criomicroscopie electronică a genomului ARN dublu catenar ieșind din particule de rotavirus Smian.
   
3. Bacteriofagi T4 care infectează bacteria E.coli
   

Microscopul electronic astăzi și în viitor

Microscoapele electronice de transmisie permit examinarea probelor la rezoluție mai mare în cercetarea științifică și ne ajută să înțelegem mai bine lumea din jur.

Microscoapele electronice moderne au mărire și rezoluție mai mari decât primele modele. Principiile lor se bazează însă pe primul prototip inventat de Ernst Ruska. Figura de mai jos arată fotografia unei copii a primului microscop electronic inventat de Ernst Ruska în 1933, realizată fidel originalului în 1980.

Microscoapele electronice au depășit limitele celor optice, iar rezoluția îmbunătățită permite examinarea obiectelor microscopice precum atomii. Dezvoltarea continuă și astăzi. De exemplu, este în producție un microscop electronic de baleiaj de mediu pentru examinarea probei într-o cameră cu vid mai redus.

Premiul Nobel pentru Chimie 2017 a fost acordat cercetărilor de criomicroscopie electronică

Jacques Dubochet, Joachim Frank și Richard Henderson au primit Premiul Nobel pentru Chimie 2017 pentru cercetările de criomicroscopie electronică. Crio înseamnă înghețare, iar această tehnică a permis vizualizarea moleculelor biologice la rezoluție mare.

La Laboratorul MRC de Biologie Moleculară al Universității Cambridge lucrează Prof. Dr. Richard Henderson, care, în anii 1990, a reușit folosind microscopul electronic să determine structura unei proteine la scară atomică, realizând această performanță.

La Universitatea Columbia lucrează Prof. Dr. Joachim Frank, care a dezvoltat o metodă de procesare a imaginilor prin studii din 1975-1986. Astfel, prin analiza imaginilor bidimensionale ale microscoapelor, a început determinarea structurilor tridimensionale .

La Universitatea Lausanne lucrează Prof. Dr. Jacques Dubochet, care a dezvoltat o metodă de determinare a structurii moleculelor în apă. Materialele examinate prin microscopie electronică sunt plasate într-un mediu de densitate foarte mică. Dacă materialul este însă o biomoleculă în apă, evaporarea rapidă a apei în acest mediu îi perturbă structura. La începutul anilor 1980, Dubochet a dezvoltat o metodă de răcire foarte rapidă a apei, permițând solidificarea biomoleculelor fără alterarea structurii. Astfel a devenit posibilă determinarea structurii lor naturale în mediu apos, ca în țesuturile vii.

După ani de eforturi, determinarea biomoleculelor la rezoluția dorită prin microscopie electronică a devenit posibilă abia în 2013. Astăzi, criomicroscopia electronică poate determina structura multor lucruri, de la proteine la virusuri.