Mikroskopowy obraz całej komórki na żywo

Po raz pierwszy w historii nauki nie trzeba chemicznie utrwalać, barwić ani preparować komórek, by móc je zbadać. Dzięki rentgenowskiemu mikroskopowi nanotomograficznemu, najnowszemu wynalazkowi specjalistów z Centrum Helmholtza w Berlinie (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB), da się analizować całe żywe komórki w ich naturalnym środowisku. Zostają one szybko zamrożone, a akademicy zyskują trójwymiarowy obraz najmniejszych nawet elementów strukturalnych ssaczych komórek.

Nowy mikroskop w jednym etapie zapewnia obraz 3D całej komórki. Daje mu to sporą przewagę nad mikroskopem elektronowym, w przypadku którego trójwymiarowy obraz uzyskuje się dopiero po zestawieniu wielu cienkich przekrojów. Proces rekonstruowania w ten sposób pojedynczej komórki może zająć tygodnie. Co więcej, w odróżnieniu od mikroskopów fluorescencyjnych, gdzie by zobaczyć jakąś strukturę, korzysta się z tzw. fluoroforów, czyli substancji chemicznych fluoryzujących po wzbudzeniu światłem o określonej długości, tutaj nie trzeba używać żadnych znaczników.

Mikroskop berlińczyków bazuje na naturalnym kontraście między materiałem organicznym a wodą. Zespół doktora Gerda Schneidera z Instytutu Tkanek Miękkich i Materiałów Funkcjonalnych współpracował z naukowcami z amerykańskiego National Cancer Institute. Akademicy uzyskali trójwymiarowy obraz komórek mysiego gruczolakoraka. Ujrzeli obie błony otoczki jądrowej, pory jądrowe, liczne wgłębienia błony wewnętrznej mitochondrium oraz wtręty (inkluzje) komórkowe w różnych organellach komórkowych, np. lizosomach. Nietrudno się domyślić, że dysponowanie tak szczegółowym obrazem pomoże w wyjaśnieniu wielu procesów, m.in. sposobu wnikania wirusów i nanocząstek do komórki lub jądra.

Między innymi w wyniku zastosowania specjalnych soczewek, rentgenowski mikroskop nanotomograficzny gwarantuje zdolność rozdzielczą rzędu 30 nanometrów; dla porównania 10 nanometrów to 1/10 średnicy ludzkiego włosa. Podczas testów z wykorzystaniem synchrotronu BESSY II z HZB niemiecko-amerykański zespół oświetlał obiekty światłem o częściowej koherencji czasowej (w takim przypadku relatywne fazy dwóch fal elektromagnetycznych podlegają losowym fluktuacjom, ale nie są one na tyle duże, by fale stały się zupełnie niespójne). Obraz uzyskiwany za pomocą światła o częściowej koherencji zapewnia znacznie większy kontrast niż obraz generowany przy użyciu światła niespójnego (niekoherentnego).

Nowa mikroskopia rentgenowska pozwala na pozostawienie wokół próbki szerszego marginesu, co daje lepszy ogląd przestrzenny. Wcześniej był on ograniczony ze względu na wymogi układu oświetleniowego. Początkowo specjalna przysłona wyłapywała z monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego fale o określonej długości. Niestety, musiała się ona znajdować tak blisko próbki, że nie dało się nią poruszać. Naukowcy opracowali jednak specjalny kondensator, który zbiera monochromatyczne światło i bezpośrednio oświetla obiekt. Dzięki temu próbkę można obracać w zakresie 158 stopni. Mamy tu więc chyba do czynienia z twórczym rozwinięciem metody PIXE, w ramach której analizuje się widmo promieniowania rentgenowskiego, emitowanego przez materiał bombardowany wiązką naładowanych cząstek z akceleratora (tutaj synchrotronu).

rentgenowski mikroskop nanotomograficzny obraz trójwymiarowy 3D żywe komórki całe Centrum Helmholtza