Brána do mikrosvěta
4. 4. 2009
Člověka už několik staletí – od okamžiku, kdy Holanďan van Loewenhook vynalezl mikroskop – přitahuje pronikání do mikrosvěta živé i neživé hmoty. V tomto vydání budete mít jedinečnou možnost zblízka se podívat do jádra jediné buňky. Spolu s našimi molekulárními genetiky budeme odhalovat, jak je v něm uložena obří molekula DNA i jak probíhá její čtení během buněčného dělení. Poznáte přitom i supertechniku nejdokonalejšího elektronového mikroskopu u nás, který tyto výpravy do mikrosvěta umožňuje. Odhalíme i zákulisí mikroskopů samotných. Při návštěvě jejich výrobce uvidíte, jak se špičkové mikroskopy konstruují a vyrábějí.
V areálu ústavů Akademie věd České republiky v Praze Krči najdete i tuto moderní budovu. Patří Ústavu molekulární genetiky. Jedenadvacet pracovních týmů se tu věnuje všestrannému studiu struktury a funkce genů, a to na úrovni molekul. Zkoumají se tu povrchové proteiny buněk, způsoby přenosu signálů v buňce, nebo jak se zdravá buňka změní na nádorovou. Studují tu imunitní reakce a jejich poruchy, stavební kostru buňky zvanou cytoskelet, anebo jak probíhá přepis genů v buněčném jádře.
Sestupte teď s námi do podzemí ústavu. Právě zde – v izolaci od různých rušivých vlivů z okolí – najdeme v současné době nejdokonalejší přístroj na pozorování mikrosvěta buněk u nás. Je to transmisní neboli prozařovací elektronový mikroskop Tecnai T 20. Zveme vás do dvou fascinujících světů zároveň: do světa nepatrných základních součástek každého živého organizmu, do buněk velkých průměrně jen asi tisícinu milimetru. A pak do neméně fascinujícího světa špičkové techniky současnosti, která tyto výpravy do mikrosvěta umožňuje.
Všechno to začalo koncem 16. století v Holandsku. Zacharias Jansen a pak zejména Anton van Leeuwenhoek vyvinuli a zdokonalili první optické mikroskopy. Tehdy zvětšovaly až pětsetkrát. Zobrazovací schopnost optických mikroskopů je omezena vlnovou délkou světla. Německý fyzik Ernst Ruska proto nahradil světelné fotony elektrony s mnohem kratší vlnovou délkou. A vyvinul první elektronový mikroskop.
Dlouhou tradici ve vývoji a výrobě elektronových mikroskopů máme i u nás. První přístroje vznikly už začátkem padesátých let v brněnské Tesle za účasti specialistů z Akademie věd. Pod vedením předního konstruktéra profesora Armina Delonga vznikla postupně řada nových řešení a přístrojů. Na tuto velkou tradici navázaly i naše současné firmy. Jednou z nich je brněnská pobočka největšího výrobce elektronových mikroskopů na světě, společnosti FEI.
V Brně je její druhé největší vývojové a výrobní centrum. Vzniká zde řada verzí obou základních typů elektronových mikroskopů – transmisních i rastrovacích – a jejich součástí. Na jejich vývoji a výrobě úzce spolupracuje mnoho profesí: fyzikové, elektronici, mechatronikové i programátoři. Na každém přístroji jsou využity špičkové technologie: od velmi vysokého vakua přes technologie čistých povrchů, fyziku pevných látek, elektronovou optiku, digitální i analogovou elektroniku, vysokonapětové zdroje až po programování a internetové komunikace.
Jak vlastně elektronový mikroskop vypadá z blízka a jak zvětšuje? Zdrojem elektronů je katoda z monokrystalu boru a lantanu, zahřátá na 1500 stupňů Celsia. Podobná je v klasických vakuových televizních obrazovkách. Katoda emituje elektrony v ultravysokém vakuu 10-5 Pascalů. Jako by se vzduchu kolem ní zředil víc než miliardkrát. Tak vysoké vakuum je nezbytné proto, aby elektrony letící po asi metr dlouhé dráze nenarazily po celou cestu ani na jedinou zatoulanou molekulu vzduchu. Elektrony prolétají soustavou clon a magnetických čoček, které paprsek zaostří na nesmírně malou ostrou plošku.
Teď paprsek vlétá do samotného srdce mikroskopu – do objektivu, v němž je umístěn vzorek k pozorování. Objektiv musí velmi precizně zaostřit vybranou část vzorku a vytvořit tak základ jeho obrazu. Vzorek pro transmisní elektronový mikroskop je velice tenký plátek látky o tloušťce menší než tisícina milimetru. Spolu s podpůrnou mřížkou je umístěn v držáku, který se zasouvá mezi pólové nástavce objektivu.
Naprosto klíčová je stabilita vzorku. Během několika sekund, kdy se pořizuje snímek, se vzorek nesmí pohnout ani o třetinu požadovaného rozlišení. Je to milióntina milimetru za minutu. Kdyby touto rychlostí například rostl strom, vyrostl by za sto let jen o pět centimetrů. Obraz vzorku tvořený elektrony prolétá dál soustavou objektivů, které jej až
miliónkrát zvětší, a dopadá na stínítko, podobně jako u klasických televizních obrazovek. Obraz vzorků se zachycuje také pomocí citlivé kamery s CCD prvky, která je umístěna pod projekční komorou.
V Brněnské pobočce FEI vznikají také mikroskopy rastrovací. V nich elektronový paprsek skenuje vzorek řádek po řádku podobně, jako vzniká televizní obraz. Obraz vzorku vzniká z elektronů odražených od vzorků.
RNDr. Jiří Očadlík, ředitel, FEI Czech Republic, pobočka Brno: V poslední době, což je nejmladší zařízení, používáme přístroje, ve kterých jsou zkřížené svazky elektronů a iontů. My pomocí iontů umíme do látky navrtat díru, odřezat kus látky a dostáváme se pod povrch, kde pomocí rastrovacího mikroskopu zase získáme informaci, ale tentokrát už z objemu. A navíc dokážeme postupně uřezávat materiál tak, jako si krájíte salám. A rekonstrukcí toho, jak vypadal jednotlivý plátek, dokážete rekonstruovat, jak vypadá celá štangle salámu.
Na takovém principu pracují přístroje, pomocí nichž vědci zkoumají nitro látek s rozlišením nanometrů. V brněnské FEI vznikl také transmisní elektronový mikroskop Tecnai T 20, určený pro pozorování biologických vzorků v pražském Ústavu molekulární genetiky.
Klasická elektronová mikroskopie vyžadovala, aby i biologické vzorky byly pro pozorování chemicky zafixovány, umrtveny. Voda, kterou obsahovaly, se přitom v podmínkách vysokého vakua okamžitě začala vařit a způsobila tak zničení buněk. Nový mikroskop Tecnai umožňuje pozorovat biologické vzorky, obsahující i vodu. Vzorek však nejprve musí být zamražen za tlaku dvou tisíc atmosfér v kapalném dusíku při teplotě minus196 °C. Voda přitom nestačí vykrystalizovat a buňky tak nepoškodí.
V tomto hlubokém zmražení se pak led nahradí pryskyřicí a ze vzorku se mohou připravit tisícinu milimetru tenké řezy pro mikroskop. Kryotechnické zařízení, udržující vzorky při pozorování zmrazené, je součástí samotného mikroskopu.
Další jedinečnou schopností tohoto unikátního přístroje je vybavení pro tomografii. Mikroskop umí poskytnout prostorový obraz vzorku. Je to něco jako známý tomograf v nemocnici, jenže naopak. Nepohybuje se přístroj kolem pacienta, ale vzorek. Ten se ve svazku procházejících elektronů postupně naklání v rozmezí až sta čtyřiceti stupňů. Čím vyšší počet řezů, tím podrobnější kresba výsledného prostorového obrazu, který zpracuje počítač.
Portrét buněčného nitra. Dlouhé modré útvary jsou endoplazmatická retikula. Zeleně počítač obarvil váčky, v nichž se hromadí různé bílkoviny, určené k exportu z buňky. K čemu nový Tecnai molekulárním genetikům slouží? Jedním z fascinujících objektů pozorování je buněčné jádro s jeho obří molekulou DNA. Biologové zkoumají, jak je tento metr dlouhý obr s dědičnou informací v buněčném jádře natěsnán.
Prof. RNDr. Pavel Hozák, Ph.D., D.Sc., vedoucí oddělení biologie buněčného jádra, ÚMG AV ČR: My se právě snažíme tuto strukturu popsat a zároveň popisujeme speciální molekulu, která nás v poslední době hodně zajímá, tzv. jaderný myosin. Ta se zdá důležitá z toho důvodu, že je to možná molekulární motor, který nám pomáhá číst tu genetickou informaci.
Elektronové mikroskopy nové generace nám otvírají nové stále hlubší pohledy do mikrosvěta v nás samých. A je to nejen pro vědce ale i pro nás laiky neméně fascinující podívaná.
Autor: Vladimír Kunz