Ami fénnyel már nem látható, abba is betekintést enged az Agymenőkből is ismert eszköz

„Most egy gerincvelőt metszünk”

– mondja Kádár Zalán, a Szegedi Biológiai Kutatóközpont munkatársa az intézet egyik első emeleti laborjában, ahol a transzmissziós elektronmikroszkópba (TEM) készít elő mintát az Agykutatás Hete szegedi eseményén.

A test működésének megértéséhez fontos, hogy a sejtek szerkezetét és kapcsolódásait jobban átlássák a szakemberek, de ezek a parányi alkotóelemek a hagyományos, fényhullámalapú módszerekkel már nem vizsgálhatók. Ekkor jön be a képbe az elektronmikroszkóp, ami a fény helyett már elektronsugarat használ, azzal világítja át az adott mintát, így enged betekintést a sejtszerkezet mélységeibe.

„Miután kinyerjük az állatokból a mintákat, epoxigyantába ágyazzuk őket, majd ezután kerül sor a metszésre” – ismerteti Kádár. Az elektronmikroszkópba csak nanométeres vastagságú minták férnek be, ezért a vizsgálni kívánt struktúrákat egy ultramikrotóm nevű eszközzel nagyjából 30–70 nanométerig metszik. Ehhez üveg- vagy gyémántkéseket használnak attól függően, hogy félvékony vagy ultravékony metszetet készítenek. Az első verzió, a félvékony – 500 nanométer – csak támpont, az ultravékony metszet az, amin az elektronsugár szépen át tud majd lőni.

Az előkészítés az egyik legfontosabb része a folyamatnak. Itt többnyire az jelenti a legnagyobb feladat, hogy hogyan nyerjenek ki minden nedvességet az adott struktúrából, mert a gép vákuumban dolgozik, és ha víz kerül bele, az egész könnyen szétrobbanhat.

„Minden minta más és más, nem lehet ráhúzni egy tökéletes pizzatésztareceptet”

– mondja Farkas Attila, az intézet tudományos munkatársa.

A mintákat a metszés előtt fixálni kell, ami azt jelenti, hogy a fehérjék között kémiai módszerekkel kovalens kötéseket hoznak létre, hogy a szerkezet megmaradjon, majd kivonják a vizet. Az előkészítés hét–tíz napot is igénybe vehet attól függően, hogy milyen vastag a minta.

Fordítva működik, mint a fénymikroszkóp

A bemutatott struktúra egy olyan gerincvelőből származik, amin az amiotrófiás laterálszklerózis (ALS) hátterében lévő patológiás folyamatokat vizsgálják. Ilyen betegsége van az alkotmányjogász Karsai Dánielnek, de a világhírű tudós Stephen Hawking is ebben szenvedett. Az ALS az idegrendszer akaratlagos mozgásokért felelős részének szelektív pusztulásával jár, miközben a tudat és az érzékelésért felelős rész ép marad. A betegség gyógyíthatatlan.

„Az ALS komplex betegség, de mi most csak a mozgató idegsejtek és az izmok kapcsolatainak degenerációjával foglalkozunk” – meséli Polgár Tamás, a Neuronális Plaszticitás Kutatócsoport tagja. Ők az idegsejtekben, illetve az ideg–izom kapcsolatokban kórosan felhalmozódott kalcium szintjét vizsgálják, ami láthatóvá tehető az elektronmikroszkóp segítségével.

A metszés után a minta a szomszédos laborban lévő transzmissziós elektronmikroszkópba kerül, ami a biológiai minták alaktani tanulmányozásához az egyik legalkalmasabb eszköz. Anyagtudományi mintákhoz, például fémek mikroszerkezetének vizsgálatához, az autóiparban vagy a csipgyártásban már sokkal nagyobb és erősebb gépeket is használnak. „Ez azt jelenti, hogy itt maximum 120 ezer volt gyorsítófeszültséggel tudunk dolgozni, viszont anyagtudományi munkákra vannak egymillió voltos elektronmikroszkópok is, némelyik három emeletet is elfoglal” – mondja Polgár.

A TEM működése nagyjából a fordítottja a közismert fénymikroszkópénak. „A tetején egy katód van, az a megvilágítás forrása. Ezt a katódot melegítjük, nagyjából 1200-1400 fokra. Ezen a hőmérsékleten megfelelő mennyiségben lépnek ki szabad elektronok ahhoz, hogy irányítani tudjuk őket ezzel a nagy feszültséggel, ami esetünkben 120 ezer volt. Átlőjük az elektronokat egy ólomtornyon, vákuumban közlekednek, majd áthaladnak az elektromágneses lencséken. Azok ugyanúgy működnek, mint a hagyományos fénymikroszkópban a csiszolt üveglencsék, viszont itt nem üvegből vannak, hanem fánk alakú, tórikus alakra torzított elektromágneses terek.”

Ezeken és a mintán áthaladva az elektronok egy fluoreszcens ernyőre vetítik a minta képét, ami aztán a kamera csipjébe kerül. Mivel a képalkotás során az elektronok áthatolnak a mintán, a monitoron később megjelenő ultrastruktúrák olyat is megmutatnak, ami a fénnyel már nem látható.

Volt, hogy éjjel kellett jönni, hogy semmi ne zavarjon be

„Mint mondtam, vákuumban dolgozik a mikroszkóp, a mintatartó kamrát pedig folyékony nitrogénnel hűtjük. Tehát ott felül nagyjából 1400 fok van, a detektorkamrában pedig mínusz 190” – mondja Polgár Tamás. Transzmissziós üzemmódban a mikroszkóp 1,2 milliószoros nagyításra képes, az anyagtudományoknál használt változat pedig kétmilliószorosra.

„A feloldási határ pedig szubnanométeres. Ez azt jelenti, hogy ha van két struktúrád, amik egy nanométer távolságra vannak egymástól, akkor még meg tudod őket különböztetni. A fénymikroszkópnál az a gond, hogy ha, mondjuk, öt víruspartikulum van egymás mellett, akkor az már egy nagy foltnak képződik le.

Az egyes partikulumok között nem tud átmenni a fény, mert nagyobb, mint a vizsgált struktúrák.

Itt viszont egyenesen lőjük az elektronokat, amik be tudnak hatolni a kis résekbe. Ez annyit jelent, hogy közelebb is lehetnek egymáshoz a struktúrák, mint egy nanométer, és még mindig különbözőnek látjuk őket. Ez biológiai mikroszkóp, az anyagtudományban még durvább teljesítmények vannak.”

„Ha nagyon nagy felbontásban akartunk nézni valamit, de be volt kapcsolva valamilyen műszer, vagy a takarító takarított kint, az olyan elektromágneses zavart keltett, hogy a kép hullámos lett, mert elhúzta az elektronokat – teszi hozzá Farkas Attila azzal kapcsolatban, hogy miért van szükség a mikroszkópot körülvevő fémkeretre. – Ha valamit egy mikrométer alatt akartunk nézni, korábban éjszaka kellett jönni, amikor minden le volt kapcsolva.” Erre ma már nincs szükség, mert az árnyékoló külsőleg blokkolja azt, ami az elektronforrást zavarná.

Ismerős lehet az Agymenőkből

A TEM első körben morfológiai, azaz alaktani vizsgálatokra alkalmas. A kinyert képeken azt vizsgálják, hogy milyen mennyiségben, eloszlásban szerepelnek a keresett anyagok adott területen, illetve hogy mekkorák, milyen alakúak, hol vannak a szöveten belül. „A bemutatott ALS-es gerincvelői mintán a kalcium kóros felhalmozódását tudjuk mérni geometriai statisztikai módszerekkel a mozgatóidegsejtek sejttestjében, izommintákon pedig a mozgatóidegsejt és az izom csatlakozási pontján, különös tekintettel a mitokondriumokra” – mondja Polgár. A mért átmérők, körszerűségek, kerületek változása az egészséges mintával összehasonlítva neurodegeneráció jele lehet.

Kémiaielem-összetételeket is tudnak itt vizsgálni egy energiadiszperzív spektrométernek (EDS) nevezett feltét segítségével, ami a minta és az elektronsugár kölcsönhatását használja ki. „Ez például jó módszer lehet annak az ellenőrzésére, hogy a látott struktúra valóban kalcium, de számos egyéb mintánál alkalmazzuk.”

A képek elemzése után a mintától függ a következő lépés. „A bemutatott esetben, mivel ismerjük, hogy milyen ALS-típusból származnak a minták, össze tudjuk vetni a különböző ALS-típusok általunk megfigyelt tulajdonságait egyéb, ugyanazon az ALS-típuson végzett mérésekkel.” Általánosságban elmondható, hogy az alaktani vizsgálatok eredményeit hasonlítják össze más funkcionális, például viselkedésvizsgálatok eredményeivel, legtöbbször ugyanis a funkció és a morfológia erősen összefügg.

A szegedi csapat számos projektben dolgozott és dolgozik együtt másokkal, akár egyetemi, de országos és nemzetközi szinten is, a TEM 2018-as beszerzése óta 16 nemzetközi folyóiratcikk született a műszerrel kinyert információkat felhasználva.

„A TEM és a vele kinyert eredmények nemzetközileg is ismertek és elismertek.

Ezt nemcsak a számos nemzetközi folyóiratcikk, előadás és publikáció bizonyítja, hanem hogy az eszköz gyártója, a japán JEOL közösségimédia-felületén a mi mikroszkópunkkal készült képeket is felhasználta arra, hogy bemutassa, mire képes a terméke.”

A szegedi laborban használt eszköz egyébként a filmekből is ismerős lehet – hívja fel a figyelmet Polgár. „Szemfülesek észrevehetnek egyet például az Agymenők sorozatban vagy a Ridley Scott-féle Prometheusban is. Utóbbi, azt hiszem épp egy, a miénkhez nagyon hasonló.”

A szerző a Szegeder újságírója. A cikk a Szegeder és a Telex együttműködésének keretében jelenik meg a Telexen is.