Что такое электронный микроскоп? Краткая история и Нобелевская премия по химии 2017

История электронного микроскопа началась с изобретения первой электромагнитной линзы в начале 20-го века. Ее свойства позволили подробнее изучать живые и неживые структуры электронным микроскопом. Он обладал возможностями превзойти классический оптический микроскоп, бывший первым и единственным вариантом.

Термин «микроскоп» происходит от греческих слов маленький со значением «mikros» и смотреть со значением «skopeo» по своему происхождению. История науки полна увлекательных вдохновляющих рассказов об изучении ближайшего микроскопом и самого далекого телескопом.

Микроскоп, изучая в биологии клетки, вирусы и другие частицы, а в геологии — сложные камни, минералы и окаменелости, позволил нам получать представление о прошлом и будущем.

Изображение статьи— сканирующая электронная микрофотография двух размножающихся в клеточной культуре аденокарциномных клеток. У наноразмерных объектов нет цвета, поэтому изображение раскрашено впоследствии. Эти две раковые клетки завершили деление, оставаясь связанными лишь несколькими цитоплазматическими нитями. Аденокарциномы могут возникать из железистых клеток легкого, толстой кишки, простаты, пищевода или желудка.

История электронного микроскопа

Первую электромагнитную линзу Hans Busch изобрел в 1926 и запатентовал в 1928, но сам электронный микроскоп не изобрел.

Электронный микроскоп в 1931 изобрели физик и электротехники Берлинского университета Ernst Ruska и Max Knoll. Прототип увеличивал в 400 раз и впервые показал возможности электронной микроскопии.

В 1933 Ernst Ruska создал улучшенный электронный микроскоп с большим разрешением, чем оптический. В 1937 Bodo von Borries и Helmet Ruska присоединились, помогая применять его к биологическим образцам. В том же году Manfred von Ardenne разработал первый сканирующий электронный микроскоп (scanning electron microscope, SEM).

Siemens-Schuckertwerke в 1938 представила первый коммерческий электронный микроскоп. После этого просвечивающие электронные микроскопы (transmission electron microscope, TEM) стали доступнее многим научным центрам мира.

На рисунке нижепоказаны размеры объектов от атомов до макромолекул.

Какие характеристики микроскопа нужны для изображения вирусов и бактерий?

Вирусы имеют размер 20 - 300 нанометров (nm). 1 нанометр — миллиардная метра. Бактерии имеют размер 0.5 - 5 микрометров (микронов). 1 микрон — миллионная метра.

• Оптические (классические) микроскопы: Показывают структуры до 350 nm. Конфокальные дают немного большее увеличение, примерно до 250 nm. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп — до 50 nm.
• SEM (сканирующий электронный микроскоп): Разрешение до 1 nm, работает в высоком вакууме. Для биологических образцов возможен режим Cryo SEM. Нобелевская премия по химии 2017 годаприсуждена Jacques Dubochet, Joachim Frank и Richard Henderson за криоэлектронную микроскопию (подробнее в конце статьи).
• S/TEM (просвечивающий электронный микроскоп): Разрешение до 0.1 nm, работает в высоком вакууме. Для биологических образцов возможен режим Cryo S/TEM.

Световым микроскопом, особенно конфокальным, можно легко видеть бактерии в «естественном» окружении.

Большинство вирусов исследуют в SEM или TEM (чаще с крио), следовательно, они мертвы.

Примеры изображений:

1. Комбуча оптическое изображение клеток Gluconacetobacter (бактерий) и yeast (дрожжевых грибов) в полупроницаемой пленке.
   
2. Криоэлектронная микрофотография двухцепочечного генома RNA, выходящего из частиц ротавируса Smian.
   
3. Бактериофаги T4, инфицирующие бактерию E.coli
   

Электронный микроскоп сегодня и в будущем

Просвечивающие электронные микроскопы позволяют исследовать образцы с высоким разрешением и лучше понимать окружающий мир.

Современные электронные микроскопы имеют большее увеличение и разрешение, чем первые. Но принципы основаны на первом прототипе Ernst Ruska. На рисунке ниже фотография копии первого электронного микроскопа, изобретенного Ernst Ruska в 1933 и воспроизведенного в 1980 по оригиналу.

Электронные микроскопы превзошли ограничения оптических и благодаря разрешению позволяют изучать микроскопические объекты, например атомы. Совершенствование продолжается. Например, разрабатывается экологический сканирующий электронный микроскоп для исследования образца в камере с более низким вакуумом.

Нобелевская премия по химии 2017 присуждена за криоэлектронную микроскопию

Jacques Dubochet, Joachim Frank и Richard Henderson получили Нобелевскую премию по химии 2017 за криоэлектронную микроскопию. Крио означает замораживание; метод позволил получать изображения биологических молекул с высоким разрешением.

Работающий в лаборатории молекулярной биологии MRC Кембриджского университета Prof. Dr. Richard Hendersonв 1990-х с помощью электронного микроскопа смог определить структуру белка в атомном масштабев своей работе.

Работающий в Колумбийском университете Prof. Dr. Joachim Frankв 1975-1986 разработал метод обработки изображений, позволивший по анализу двумерных микроскопических изображений определять трехмерные структуры на практике.

Работающий в Лозаннском университете Prof. Dr. Jacques Dubochetразработал метод определения структуры молекул в воде. Материалы для электронного микроскопа помещают в среду очень низкой плотности. Но у биомолекулы в воде быстрое испарение воды в такой среде разрушает структуру. В начале 1980-х Dubochet разработал очень быстрое охлаждение воды, обеспечив затвердевание без нарушения структуры биомолекул. Так открылся путь к определению естественной структуры биомолекул в водной среде, как в живой ткани.

Электронный микроскоп смог определять биомолекулы с желаемым разрешением лишь в 2013 после многолетних усилий. Сегодня криоэлектронная микроскопия определяет структуры от белков до вирусов.