Hvad er det mindste, vi kan se med det blotte øje og i et mikroskop?

Vi har ikke problemer med at se stuefluerne, når de vimser rundt i huset. De er omkring otte millimeter lange. En lillebitte myg på to til fem millimeter er heller ikke noget problem for øjet.

Så hvor går grænsen for, hvor små ting vi kan se med det blotte øje?

Lus på to millimeter kan vi opdage og få has på. Individuelle sand- og saltkorn går også an, og med bjørnedyr vi er nede på en halv millimeter.

Vi kan også se små tøffeldyr, når de bevæger sig afsted gennem vandet. Men så begynder det at blive vanskeligt.

Det er angiveligt muligt at se en ægcelle fra et menneske med det blotte øje. Og vi kan se et hårstrås diameter, men det er så her, det stopper – ved 1/10 af en millimeter.

Det er måske egentlig også i orden, for det ville være ret anstrengende konstant at se huden krybe med bakterier.

Men vi har hjælpemidler, så vi kan se ting, som er meget, meget mindre end 0,1 millimeter.

Ind under mikroskopet

Under mikroskopet bliver tøffel- og bjørnedyr straks mere livagtige. Amøber kan indimellem ses med det blotte øje, fordi nogle arter er relativt store, men de vil være lette at se under et mikroskop.

Snart begynder tingene at blive så små, at det er praktisk at ændre måleenheden. En mikrometer er en millimeter divideret med tusind.

En levercelle er cirka 50 mikrometer, det vil sige halvdelen af ​​grænsen for, hvad vi kan se med det blotte øje. En hudcelle er 30 mikrometer lang.

Kernen i cellen, hvor DNA’et er placeret, er mindre, 5-7 mikrometer. Det kan også ses med et lysmikroskop.

På billedet nedenfor ser vi hudceller og kernen, som er vist i blåt. Cellerne er behandlet med stoffer, der binder til forskellige molekyler i cellerne, samt gør, at de fluorescerer.

Fluorescensmikroskopi er en metode, der gør det muligt at ‘se ind i cellerne’.

Bakterier er endnu mindre. De er på en skala fra 1 til 10 mikrometer. For eksempel er en gennemsnitlig E. coli-bakterie 2 mikrometer stor.

Men i et mikroskop kan du se bakterier, der danner kolonier og formerer sig.

Vi kan også se individuelle bakterier, som på billedet nedenfor.

Meget foregår indeni cellerne

I mikroskopet kan vi se celler, og hvordan de opbygger alt fra planter til mennesker. Men som vi ved fra naturfag i skolen, foregår der også meget indeni cellerne. Cellerne har for eksempel ‘molekylære maskiner’, som kan flytte rundt på ting inde i dem.

Én enkelt celle indeholder millionvis af ribosomer, som er et kompleks af proteiner og RNA, der fremmer dannelse af proteiner i levende celler, altså en slags proteinfabrikker.

I cellen er der også såkaldte organeller, cellens ‘organer’, såsom mitokondrier, som er cellenes ‘kraftværk’ og lysosomer, som er ‘genbrugsstationer’.

Forskerne vil gerne følge med i alt det, som sker. Lysosomer er omkring en mikrometer, altså en tusindedel af en millimeter, og ribosomer er meget mindre.

Så skifter vi måleenhed igen. Denne gang deler vi en mikrometer tusinde gange, så vi får en nanometer.

Lysets bølgelænge begrænser

Det er først på nanometerskalaen, at virusserne dukker op. De allerfleste er så små, at de ikke kan ses i et almindeligt lysmikroskop.

Hvad vi kan se i et lysmikroskop er begrænset af lysets bølgelængde, fortæller Øyvind Ødegård Fougner, postdoc. ved Radiumhospitalet i Oslo.

Han arbejder med at skubbe grænserne for, hvor tæt man kan komme ved hjælp af lysmikroskopi.

»Den såkaldte ‘Abbe-diffraktionsgrænse’ er det mindste, man kan se med et lysmikroskop. Det er cirka halvdelen af ​​lysets bølgelængde,« siger Øyvind Ødegård Fougner til forskning.no, Videnskab.dk‘s norske søstersite.

Hvis 2 objekter er tættere på hinanden end 200 nanometer, kan de ikke adskilles ved hjælp af lysmikroskopi. Men forskere har faktisk formået at ‘snyde’ denne grænse. Det vender vi tilbage til.

Ellers er det almindeligt at bruge et elektronmikroskop til at studere ting på nanoniveau. Det har professor ved universitetet i Oslo Norbert Roos 35 års erfaring med.

Detaljerigdom med elektronmikroskop

Elektroner kan beskrives som bølger og partikler på samme måde som lys, men elektroner har ekstremt korte bølgelængder. Det giver høj opløsning.

Med et elektronmikroskop kan man virkelig se detaljerne på bittesmå insekter eller tage et billede af en virus.

På billederne nedenunder er der zoomet ind på et insektøje.

Når man kommer så tæt på, kan almindelige ting se helt anderledes ud. Se for eksempel på billedet her, hvordan pollen ser ud på denne skala.

Coronavirussen er 125 nanometer bred. De fleste virusser er mellem 20 og 300 nanometer.

Norbert Roos studerer blandt andet alger og virusser med et elektronmikroskop, og nogle gange er han overrasket.

»Det er det gode ved det her job. Et par gange om året, foretager jeg en test, hvor jeg tænker: ‘Det her har ingen i hele verden set før mig’. Det er selvfølgelig en fantastisk oplevelse,« siger han til forskning.no.

Ser gennem eller på overfladen

Der findes overordnet to slags elektronmikroskoper.

»Det ene kalder vi transmissionselektronmikroskop, og det er, som navnet røber, et mikroskop, hvor man ser igennem prøven,« siger Norbert Roos.

Her skal prøven være meget tynd.

»Og så har vi skanningselektronmikroskopet, som ser på overfladen. Her ser vi ikke ind i prøven. Det, som er fordelen ved et skanningselektronmikroskop, er, at vi kan se på større prøver, for eksempel en hel bananflue.«

Skanningsmikroskoperne kan også bruges til meget små ting. Se billedet nedenunder.

Indeni celler og væv

Med et transmissionselektronmikroskop kan man med lethed se lige gennem væv, muskler, bakterier og så videre, siger Norbert Roos.

På billedet nedenfor ser vi ind i en alge. Strukturer som cellevæg, mitokondrier, cellekerne og grønkorn/kloroplaster er synlige.

Elektronmikroskoper kan ikke se på levende prøver

En ulempe ved elektronmikroskopi er, at prøven skal være død. Afbildningen foregår i et vakuum.

»Sådan er det desværre, for elektroner har en så utrolig kort bølgelængde. De havde ikke klaret at gå gennem luften i måske mere end en eller to millimeter, før de var spredt i alle retninger,« siger Norbert Roos.

Det skyldes, at elektronerne derefter var styrtet ned med en masse luftmolekyler, før de nåede frem.

Elektronstrålerne er også højenergiske og kan beskadige materialet.

Det er der til dels fundet en løsning på. Ved at fryse prøven ned med flydende nitrogen bliver det biologiske materiale bedre beskyttet. Denne metode kaldes kryo-elektronmikroskopi.

I 2017 valgte Nobelkomiteen at hædre udviklingen af kryo-elektronmikroskopi med nobelprisen i kemi.

Proteiner og molekyler

Helt i bunden af nanoskalaen træder vi ind i molekylernes verden. Blandt biomolekylerne finder vi proteiner og RNA.

Ribosomerne er sat sammen af flere proteiner og RNA-molekyler og er cirka 30 nanometer i diameter.

Antistof-molekyler er cirka 12 nanometer. Proteinet hæmoglobin, som fragter oxygen rundt i kroppen, er bare 6,5 nanometer.

I menneskecellerne findes der cirka 20.000 forskellige proteiner. Der foregår meget forskning i laboratorier rundt omkring i verden for at bestemme strukturen eller ‘formen’ på de mange forskellige proteiner, så vi kan afdække mere om deres funktion, og hvordan de eventuelt kan påvirkes.

Der er også proteiner på overfladen af coronavirussen; de såkaldte spike-proteiner.

Kan man se dem? Det svarer institutleder ved Institut for biovidenskab ved Universitetet i Oslo, Rein Aasland, på:

»Man kommer ikke meget længere med transmissionsmikroskopi, end at der er nogle ‘knopper’,« siger han til forskning.no.

Røntgenmetoder skal i brug

For at afdække proteinernes tredimensionale form bruger man traditionelt en metode kaldet røntgenkrystallografi.

Derefter anvender man røntgenstråler, som har en kort bølgelængde. Udfordringen er, at proteinet først skal isoleres, renses og krystalliseres. Og det er ikke altid helt ligetil, siger Rein Aasland.

»Når man bruger røntgendiffraktion for virkelig at se molekyler på atomniveau, så har man for lang til siden bevæget sig udover, hvor øjet kan se noget som helst, så det, man ser, er baseret på beregninger. Derefter bliver det fremstillet som billeder eller tredimensionelle modeller.«

Nedenfor kan du se, hvordan et røntgenkrystallografibillede kan se ud. Det er ikke et direkte billede. Men mønsteret kan bruges til at lave beregninger af, hvordan (i dette tilfælde) et enzym, der er knyttet til coronavirussen, ser ud og er struktureret.

‘Ser’ enkeltpartikler med kryo-elektronmikroskopi

Man kan også bruge kryo-elektronmikroskopi til at studere de allermindste strukturer.

»De seneste 10-15 år er der sket en rivende udvikling inden for kryo-elektronmikroskopien,« siger Rein Aasland.

»Det er især nye og kraftige teknikker, som kan bruges til at analysere enkeltpartikler, så man i dag kan ‘se’ proteinmolekyler i næsten atomare detaljer med noget, som kaldes enkeltpartikel kryoelektronmikroskopi.

Molekylerne bliver taget fra cellerne og spredt, inden de placeres i mikroskopet.

»Man kan analysere tusindvis, hundredetusindevis eller millionvis af billeder af individuelle partikler fra forskellige vinkler. Ved hjælp af avancerede computerprogrammer kan man så rekonstruere overfladebilleder af biomolekyler som for eksempel proteiner.«

Rein Aasland siger, at anskaffelsen af det første instrument til enkeltpartikel kryo-elektronmikroskopi i Norge er planlagt.

Forskere kan sandsynligvis også snart benytte en anden metode til at afdække, hvordan et enkelt protein er struktureret.

Før jul blev sløret løftet for et AI-program, som formåede at finde formen på proteiner og var lige så god som krævende og bekostelige eksperimentelle metoder.

Kan se atomer

Nu er vi næsten nede på atomniveau. Vi har delt en millimeter med tusind, en mikrometer med tusind og skal nu dele et nanometer med tusind, og så kommer picometerskalaen.

Her er atomerne. De har en diameter på mellem 30 og 600 picometer.

For at få en idé om størrelsen skal vi bare tænke på det mindste, vi kan se med det blotte øje: tykkelsen på et hårstrå, som rundt regnet har plads til 700.000 karbonatomer i bredden, ifølge Facts in motion.

Det er for at sige det mildt ikke let at se et hårstrå delt op i 700.000 bidder. Men forskerne kan godt afbilde atomer, siger Norbert Roos.

»Fysikere og særligt materialeforskere kan se helt ned til atomniveau,« siger Norbert Roos.

– Så man kan se kugler ved siden af hinanden, som faktisk er atomstrukturen i et materiale?

»Ja, for eksempel,« siger Norbert Roos.

I 2009 fremviste forskere ved Berkeley Lab en film af atomer, som danner grafen. Grafen er et lag karbonatomer ordnet i et sekskantmønster.

I filmen er der lavet et hul i materialet (gråt felt), og atomerne arrangerer sig som følge deraf. Verdens kraftigste transmissionselektronmikroskop blev brugt til at afbilde atomerne. Det hvide er atomer og bindinger.

Der er flere sensationelle billeder. I 2013 lavede IBM-forskere ‘verdens mindste film‘. Forskerne flyttede rundt på atomerne og lavede en ‘tegnefilm’ af en dreng med en bold.

I 2018 var kvantefysikeren David Nadlinger i stand til at præsentere et billede af et lysende atom taget med et digitalt kamera (!) og en lang lukkerhastighed.

Grænsen er overskredet

Som nævnt har den fysiske grænse for, hvad vi kan se med lysmikroskoper, ligget på omkring 200 nanometer på størrelse med ​​de mindste bakterier.

Men det stemmer ikke helt længere.

»Der er flere teknologier, der er ude efter at narre fysikken. Det er næsten analogt med at snyde tyngdekraften,« siger Rein Aasland.

Metoderne kaldes super-opløsnings-lysmikroskopi. Tre forskere, der bidrog til udviklingen, vandt Nobelprisen i kemi i 2014.

I dag kan forskerne studere ting, der sker indeni levende celler med et lysmikroskop i nanoskala. Og i modsætning til elektronmikroskopi, hvor prøven er død, kan man se bevægelser.

Lys-tricks giver skarpe billeder

Oddmund Bakke ved Institut for biovidenskab, UiO, som længe har arbejdet med mikroskopi, leder NorMIC Oslo, som udfører avanceret mikroskopi.

»Det ‘at se’ er et begreb, som har fået en ganske anden betydning for en mikroskopist i dag, i forhold til dengang jeg startede min karriere i 1970’erne,« siger Oddmund Bakke.

Ved hjælp af nye mikroskopiteknikker kombineret med hurtige og avancerede computere og computerprogrammer, kan man se objekter ned til molekyler i levende celler, siger Oddmund Bakke.

»I et super-resolutionsmikroskop er opløsningen bedre end beskrevet i Abbes lov, og man er i dag kommet op på 5-10 nanometer i opløsning.«

Kan kobles til fluorescerende kemiske forbindelser

Højopløsnings-lysmikroskopi er hovedsaglig baseret på det faktum, at proteiner og andre molekyler kan kobles til fluorescerende kemiske forbindelser.

Fluorescens er, når et stof absorberer stråling og sender det ud i en mere langbølget form. For eksempel kan det absorbere UV-stråling og sende det ud i det synlige spektre.

»Ved hjælp af molekylærbiologi og genmanipulering kan forskerne sætte fluorescerende proteiner på ét eller flere af de cirka 20,000 forskellige proteiner i en pattedyrcelle. Laserlys får dem til at sende fluorescens ud, som så kan detekteres ved hjælp af optiske detektorer,« siger Oddmund Bakke.

Genmutations-teknologien, CRISPR-Cas9, som fik Nobelprisen i 2020, er også en stor hjælp, siger han.

»På denne måde kan man mere enkelt og effektivt sætte disse mærkører ind i enkeltproteiner i cellerne.«

Som på samlebånd

Oddmund Bakke arbejder selv meget med levende celler, og hvordan såkaldte vesikler transporteres inde i cellen. Vesikler er små blærer, hvor stoffer kan transporteres eller lagres.

»Disse studier startede i 1990’erne, da man opdagede, at man kunne få alle typer celler til at producere fluorescerende proteiner gennem enkel genmanipulation,« siger Oddmund Bakke.

»Den store overraskelse ved at studere liv indeni cellerne var den utrolige organisering af alle cellens mekanismer, og hvor hurtigt alt bevægede sig.«

Vesikler kan bvæges frem flere mikrometer per sekund, og molekyler meget hurtigere.

En typisk pattedyrcelle er 10-30 mikrometer i diameter, så flere mikrometer per sekund er meget hurtigt, forklarer Oddmund Bakke.

»Produktionen af nye molekyler er også velorganiseret. For at komme frem til det endelige produkt er det som et samlebånd, hvor ændringerne finder sted over tid i et proteinmaskineri.

Superopløsning har også ført til, at der er fyret op under undersøgelse af ​​cellekernen.

»I dag kan man studere kromosomer og aktivering af gener i levende celler – noget, der tidligere var utænkeligt,« siger Oddmund Bakke.

Robert Betzig, der var én af ​​vinderne af Nobelprisen for super-opløsnings-mikroskopi i 2014, imponerede igen i 2018. Sammen med sine kolleger fremviste han videoer, hvor man bruger en ny teknik og blandt andet kan se immunceller, der spiser sukkerkorn. Se videoen nedenfor.

Kan man se DNA?

Og så lige til sidst, hvad med arvestoffet, DNA’et, kan forskerne se det?

Øyvind Ødegård Fougner, postdoc. ved Radiumhospitalet i Oslo, gjorde sin ph.d færdig ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg.

»Indeni hver eneste celle i kroppen har du en to meter lang DNA-tråd, som er krøllet sammen. Det er ikke tilfældigt, hvor den ligger, det er meget organiseret. Og det store problem er, at den også er meget kompakt. Spørsmålet, vi stillede os selv, var, hvordan den ligger krøllet sammen inde i cellerne,« Øyvind Ødegård Fougner.

Et kromosom kan man se med et almindeligt mikroskop.

»Men at se, hvordan selve DNA-tråden er krøllet sammen, er vanskeligt og kræver et super-opløsnings-mikroskop,« siger Øyvind Ødegård Fougner.

Forskere har taget billeder af DNA-tråde i elektronmikroskop. Her er to eksempler.

Det er begrænset, hvor detaljeret det kan blive.

»Man får ikke information om, hvilken del af genomet man ser på. Med et lysmikroskop kan du også få denne information,« siger Øyvind Ødegård Fougner.

Øyvind Ødegård Fougner har arbejdet med at afbilde DNA ved hjælp af superopløst lysmikroskopi.

Forskerne forsøgte at få en så god opløsning, at de kunne se DNA i en celle, ned til små grupper med basepar, og hvordan det hele ligger i kernen.

»Det, jeg fik ud af det, er, at hvis man tager DNA ud af cellerne og gør det som et biokemiforsøg, så kan jeg få 20 nanometer opløsning og skille 632 basepar fra hinanden.«

Helst se på DNA’et i dets naturlige miljø

Men Øyvind Ødegård Fougner ville nu helst se på DNA’et i dets naturlige miljø. Han fandt, at behandlingen, som bliver gjort, før en celle kan studeres i mikroskopet, ødelægger DNA’et.

»Man studerer ikke biologi længere, når DNA’et er eksploderet i alle retninger.«

Øyvind Ødegård Fougner fandt en ny metode til at behandle cellerne, så at de kunne studeres i de avancerede mikroskoper med DNA’et i god behold.

Han kunne så se med en opløsning på 5.000 basepar, at det var den mindste enhed, der kunne adskilles fra hinanden, og han kunne se DNA vikle sig i cellen.

»Forestil dig et to meter langt reb, jeg tænder for lyset i starten, tænder og slukker det igen, så bevæger jeg mig lidt, frem og tilbage, går systematisk gennem rebet og finder ud af, hvor hvert eneste stykke er.«

Udviklingen fortsætter

Oddmund Bakke opsummerer, at vi i dag kan se ‘hele vejen’.

»Summen af ​​det er, at man forstår processer og mekanismer og ikke mindst forstår, hvad der går galt, fra kræft til arvelige genetiske sygdomme.«

Det er vigtigt for at finde nye lægemidler eller til fremstillingen af vacciner, for eksempel mod coronavirussen. Men biologer ser gerne nye fremskridt for at kunne studere livet på et endnu mere detaljeret niveau.

»Der er ingen grænser for, hvad vi drømmer om,« siger Rein Aasland.

»Faktisk ønsker vi at se så meget som muligt, for der er meget og hurtig bevægelse i meget lille skala.«

»Der sker teknologiske innovationer hele tiden, og det sker over hele linjen. Én ting er at komme endnu længere ned på atomniveau, en anden ting er, om vi kan fange flere detaljer på celleniveau. Mikroskopi, billeddannelse, er et teknologifelt, der er under konstant udvikling.«

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.