Page History

Solujen toimintaa tutkitaan monilla eri tavoilla, esimerkiksi mikroskooppisilla menetelmillä. Mikroskopia perustuu pääosin valon tai elektronien aaltoliikkeeseen. Valomikroskopia on kohtuullisen helppo keino tutkia soluja, ja sen eduista mainittakoon mahdollisuus tutkia eläviä soluja.

Toinen, mutta tekniikaltaan huomattavasti valomikroskopiaa vaativampi tapa tutkia solua, on elektronimikroskopia. Elektronimikroskopialla saadaan kuvannettua solun sisäisiä rakenteita ja soluelimiä. Elektronimikroskopiaan kuuluviksi liitetään useimmiten myös tunnelointimikroskopia ja atomivoimamikroskopia, jotka eivät kuitenkaan suoraan perustu elektronien aalto-ominaisuuksiin.

Molekyylibiologian historiaa

Mikroskopian tieteellinen käyttö kasvoi 1600-luvun loppupuolella, kun Robert Hooke julkaisi ohjeet leikkeiden valmistamisesta. Leikattaessa biologisesta kohteesta läpikuultavan ohut leike, sen rakenteesta saadaan paljon tietoa tutkailtaessa sitä mikroskoopin lävitse.

Solusta terminä kuultiin ensimmäisen kerran vuonna 1665, kun juurikin Robert Hooke esitti havaintojaan korkkipuun rakenteesta. Tietämyksemme solubiologiasta onkin kehittynyt valtavasti viimeisten pian 350 vuoden aikana.

Solubiologian kehitys oli alkuvaiheessaan melkoisen hidasta. 1800-luvulla alkoi kertymään enemmän tietoa solun toiminnasta ja rakenteesta, kun opittiin tuntemaan solujen biokemiallisia reaktioita, tunnistettiin solunsisäisiä rakenteita ja luotiin soluteorioita.

1900-luvulle tultaessa kehitys otti suuria askelia. DNA-rakenteen ja toiminnan tuntemukseen perustuva molekyylibiologia on tuonut uutta tietoa solujen toiminnasta. Molekyylibiologia on antanut mahdollisuuden valmistaa uusia solubiologisen tutkimuksen keinoja, joilla solujen ja proteiinien toimintaa voidaan seurata.

Valomikroskopia

Valomikroskoopin keksijänä kunnostautui 1600-luvulla syntynyt hollantilainen Antoni van Leeuwenhoek, joka rakensi alkeellisen mikroskoopin asettamalla erilaisia linssejä kiinteään runkoon. Valomikroskopian suurin kehitys tapahtui 1800-luvulla sähkövalon keksimisen myötä. Samoihin aikoihin myös lasinvalmistus ja –hionta kehittyi ja saatiin laadukkaampia linssejä. Mikroskooppien kehitys johti lopulta elektronimikroskooppeihin asti.

Image AddedMikroskooppi vuosimallia 1751.

Valomikroskooppi rakentuu joukosta linssejä, joiden avulla valo ohjataan läpi tutkittavan näytteen kollektorin ja kondensorin avulla. Kondensorilla valon kulku säädetään siten, että valokimppu leikkaa tutkittavan kohteen oikeassa kohdassa, jolloin syntyvästä kuvasta saadaan tarkka. Tämän jälkeen valo kerätään ja kuvaa voidaan suurennella ja pienennellä objektiivin ja okulaarin avulla. Kokonaissuurennos on maksimissaan 1500-kertainen.

Valomikroskoopin erotuskyky on parhaimmillaan n. 200 nm. Suurennosta lisäämällä ei kuitenkaan saavuteta parempaa yksityiskohtaisempaa erotuskykyä.

Image AddedNykyaikainen valomikroskooppi.

Valomikroskopiaa on paria tyyppiä: kirkas- ja pimeäkenttämikroskopia. Kirkaskenttämikroskopia käy parhaiten korkeakontrastisten näytteiden tutkimiseen. Pimeäkenttämikroskopiassa näytettä valaistaan siten, että vain näytteen rajapinnoista tuleva valo pääsee objektiiviin.

Elektronimikroskooppi

Ensimmäisen elektronimikroskoopin rakensi vuonna 1932 saksalainen fyysikko Ernst Ruska yhdessä kansalaiskollega Max Knollin kanssa. Ruska ansaitsi työstään puolet Nobelin fysiikanpalkinnosta (toinen puoli tunnelointimikroskoopin kehittäjille Gerd Binnigille ja Heinrich Rohrerille), tosin vasta vuosien jälkeen ja juuri ennen kuolemaansa vuonna 1986. Suomen ensimmäisen elektronimikroskoopin rakensi Alvar Wilska.

Image Added Museoitu kopio Ernst Ruskan vuoden 1933 elektronimikroskoopista.

Elektronimikroskooppi on rakenteeltaan samanlainen mikroskooppipylvääseen koottu linssirakennelma kuin valomikroskooppi. Valon sijasta lähteenä toimii elektronisuihku, joka synnytetään hehkuvasta metallilangasta eli filamentista. Linsseinä käytetään sähkömagneettisia linssejä.

Elektronimikroskoopeilla päästään monimiljoonakertaisiin suurennoksiin ja erotuskyky on parhaimmillaan 0,07 nanometrin luokkaa. Laitteesta on tehty muutamia eri versioita.

Image Added TEM, Tampereen teknillisen yliopiston materiaalia.

Läpäisyelektronimikroskoopissa (TEM, Transmission Electron Microscope) tutkittavan kohteen kuva muodostuu fluoresoivalle levylle, kun kohteen läpi ohjataan elektroneja magneettilinssien avulla. Läpäisyelektronimikroskooppikuvia käytetään pääasiallisesti pienten solujen tai kudos- sekä suurten solujen leikkeiden poikkileikkausrakenteiden selvittämiseen.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopissa (SEM, Scanning Electron Microscope) kuva muodostetaan näytölle elektroneista, jotka irtoavat tai heijastuvat näytteen pinnasta, kun sitä pyyhitään kapealla elektronisuihkulla. Näin saadaan hyvin yksityiskohtainen kuva näytteen pinnasta. Niinpä SEM:n tyypillisiin käyttökohteisiin kuuluvatkin mm. pinnoitustarkastukset, murtumien syiden selvitykset, pintojen mikrobitartuntojen tai ruostevaurioiden tarkastaminen.

Image Added SEM, Tampereen teknillisen yliopiston materiaalia.

Lisäksi on olemassa nämä kaksi tyyppiä yhdistävä tekniikka. Se on yllättäen nimeltään pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskooppi. Sillä voidaan skannata ohuen näytteen pintaa elektronisuihkulla ja saadaan näytölle kuva läpimenneiden elektronien avulla.

Alussa sivuttiin tunnelointi- ja atomivoimamikroskopiaa. Nyt hieman tietoa niistä.

Tunnelointimikroskopia

Tunnelointimikroskoopin (STM, Scanning Tunneling Microscope) toiminta perustuu kvanttitunnelointi-ilmiöön. Sillä on mahdollista saada atomitarkkuudella 3D-kuvia kohteen pintarakenteesta. Tunnelointimikroskoopissa on ohut ja terävä neula, jota kuljetetaan näytteen pinnalla, jolloin pinnan ja neulan välille syntyy virtaa, jonka suuruus riippuu asetetusta jännitteestä ja pinnan elektronirakenteesta.

Tunnelointimikroskooppia käytetään mm. puolijohdetutkimuksissa. Laite kehitettiin 1981 ja Gerd Binnig sekä Heinrich Rohrer pokkasivat siitä puolikkaan Nobelin fysiikanpalkinnosta vuonna 1986.

Atomivoimamikroskopia

Ensimmäinen atomivoimamikroskooppi (AFM, Atomic Force Microscope) rakennettiin vuonna 1985. Toiminta perustuu näytteen tunnusteluun. Näytettä tunnustellaan värähtelijään kiinnitetyllä terävällä neulalla, jonka kärki voi olla kooltaan vain muutamia nanometrejä.

Laitteen kehittyminen on ottanut suuria askelia ja se alkaakin ottamaan valtaa pois elektronimikroskoopeilta hellävaraisemman tutkimusmenetelmänsä ansiosta. Erotuskyvyksi annetaan minimissään 300 Å:ä. Vaikka atomivoimamikroskooppia käytetään elektroniikan ja kemian tutkimuksissa, sillä on suurempi asema biologian tutkimuksissa.