En type midd sett med elektronmikroskop.
En type midd sett med elektronmikroskop.

Hva er det minste vi kan se?

Ved hjelp av mikroskoper kan forskere studere det som skjer i en skjult mikroverden. Men hvor små ting kan vi egentlig se? Går det an å ta bilde av et atom?

Husflua er ingen problem å se der den vimser rundt. Den er rundt åtte millimeter. En knøttliten knott på to til fem millimeter er heller ingen sak for øyet.

Så hvor går grensen for hvor små ting vi kan se?

Lusa på to millimeter kan vi oppdage og få has på. Individuelle sand- og saltkorn går fint. Da er vi nede i en halv millimeter, på skala med bjørnedyr.

Små tøffeldyr går det an å se der de skufler seg av sted i vann. Men nå begynner det å bli vanskelig.

Det skal være mulig å se en eggcelle fra et menneske med det blotte øye.

Vi kan se diameteren på tuppen av et hårstrå, og omtrent der stopper det, ved en tiendedel av en millimeter.

Det er kanskje like greit. Det hadde vært slitsomt å se at huden kryr av bakterier hele tiden.

Men vi har hjelpemidler for å se på det som er mindre - mye, mye mindre enn 0,1 millimeter

Mikroskopbilder av tøffeldyr og andre miniorganismer fra ferskvann.
Mikroskopbilder av tøffeldyr og andre miniorganismer fra ferskvann.

Inn i mikroskopet

Frem med mikroskopet og de små tøffeldyrene og bjørnedyra blir mer livaktige.

Amøber kan noen ganger ses med øyet, for noen arter er relativt store. Disse blobbene vil være enkle å se i et mikroskop.

Snart begynner ting å bli såpass smått at det er hendig å bytte måleenhet. En mikrometer er en millimeter delt på tusen.

En levercelle er omtrent 50 mikrometer, altså halvparten av grensen for hva vi kan se med øyet. En hudcelle er 30 mikrometer lang.

Kjernen i cellen, der DNA-et ligger er mindre, 5-7 mikrometer. Den kan man også se med lysmikroskop.

På bildet under ser vi hudceller og kjernen som er i blått. Disse cellene er behandlet med stoffer som binder til ulike molekyler i cellene og gir fluorescens, de avgir lys. Fluorescensmikroskopi er en metode som gjør det mulig «å se inn i cellene».

Menneskelige hudceller i kultur under mikroskopet.
Menneskelige hudceller i kultur under mikroskopet.

Bakterier er enda mindre. De dukker opp på en skala fra 1 til 10 mikrometer. For eksempel er en gjennomsnittlig E. coli bakterie 2 mikrometer stor. I et mikroskop kan man se bakterier som danner kolonier, formerer seg og holder på.

Bakterier.
Bakterier.

Vi kan også se individuelle bakterier. Se bildet under.

Individuelle bakterier.
Individuelle bakterier.

I mikroskopet kan vi se celler og hvordan de bygger opp alt fra planter til mennesker. Men som vi vet fra naturfaget på skolen er det også mye som foregår inne i cellene.

Cellene har for eksempel «molekylære maskiner» som kan flytte på ting inne i cellene.

En enkelt celle inneholder millioner av ribosomer, proteinfabrikker. I cellen er det også det som kalles organeller, cellens «organer», slik som mitokondrier, som er cellenes «kraftverk» og lysosomer, som er «gjenbruksstasjoner».

Forskere vil gjerne følge med på alt som skjer.

Lysosomer er omtrent 1 mikrometer, altså en tusendel av en millimeter. Ribosomer er mye mindre enn det.

Det er på tide å bytte måleenhet igjen. Denne gangen deler vi en mikrometer på tusen, og får en nanometer.

Et tverrsnitt stammen til et lindetre, sett i mikroskop. Her kommer den indre strukturen frem.
Et tverrsnitt stammen til et lindetre, sett i mikroskop. Her kommer den indre strukturen frem.

Bølgelengden på lyset begrenser

Det er først på nanometerskalaen, at virusene dukker opp. De aller fleste er så små at de ikke kan ses i et vanlig lysmikroskop.

Hva vi kan se i et lysmikroskop er begrenset av bølgelengden på lyset, forteller Øyvind Ødegård Fougner, postdoktor ved Radiumhospitalet i Oslo.

Han har jobbet med å presse grensene for hvor nært på man komme ved å bruke lysmikroskopi.

- Det som kalles Abbes diffraksjonsgrense er det minste du kan se med et lysmikroskop. Det er cirka halvparten av bølgelengden på lyset, sier Fougner til forskning.no.

Dersom to ting er nærmere hverandre enn 200 nanometer, kan de ikke skilles fra hverandre med lysmikroskopi.

Les mer om diffraksjon og lys i denne tidligere saken på forskning.no.

Men forskere har faktisk klart å lure denne grensen i lysmikroskopi. Mer om det om litt.

Ellers er det vanlig å bruke elektronmikroskop for å studere ting på nanonivå. Her har Norbert Roos 35 års erfaring. Han er professor ved Universitetet i Oslo.

Detaljrikdom

Elektroner kan beskrives som bølger og partikler på samme måte som lys. Men elektroner har ekstremt kort bølgelengde. Det gir høy oppløsning.

Med et elektronmikroskop kan man virkelig se detaljene på bittesmå insekter, eller ta bilde av virus.

På bildene under zoomes det inn på øyet til et insekt.

Elektronmikroskopibilder av øyet til et insekt.
Elektronmikroskopibilder av øyet til et insekt.

Når man kommer så tett på, kan vanlige ting se ganske annerledes ut. Se for eksempel på bildet under hvordan pollen ser ut på denne skalaen.

Pollen fra forskjellige planter forstørret 500 ganger.
Pollen fra forskjellige planter forstørret 500 ganger.

Koronaviruset er cirka 125 nanometer bredt. De fleste virus er mellom 20 og 300 nanometer.

Norbert Roos tar oppdrag og studerer blant annet alger og virus med elektronmikroskop.

Det hender han blir overrasket.

- Det er det fine med den jobben her. Det er et par ganger i året hvor du har en prøve inni der som du tenker «dette er ingen i hele verden som har sett før meg». Det er selvfølgelig en fantastisk opplevelse, sier han til forskning.no.

Ser igjennom eller på overflaten

Det finnes to hovedtyper av elektronmikroskoper.

- Den ene kaller vi for transmisjonselektronmikroskop, det er da som navnet sier, et mikroskop hvor man ser igjennom prøven, sier Roos.

Da må prøven være veldig tynn.

- Så har vi skanningelektronmikroskop som ser på overflater. Da ser vi ikke inn i prøven. Det som er fordel med skanningmikroskop, er at du også kan se på større prøver, for eksempel på en hel bananflue.

Skanningmikroskoper kan også brukes til veldig små ting, se bildet under.

Her har forskere brukt et skanningelektronmikroskop for å ta bilde av ebola-virus (rødt). De er oppå en celle i brunt. Elektronmikroskopbilder er i svarthvitt, bildet er kunstig farget.
Her har forskere brukt et skanningelektronmikroskop for å ta bilde av ebola-virus (rødt). De er oppå en celle i brunt. Elektronmikroskopbilder er i svarthvitt, bildet er kunstig farget.

Inni celler og vev

Med et transmisjonselektronmikroskop kan man lett se snitt gjennom vev, muskler, bakterier og så videre, forteller Roos.

På bildet under ser vi inni en alge. Her er strukturer som celleveggen, mitokondrier, cellekjernen og kloroplaster synlige.

Transmisjonselektronmikroskop-bilde av en snittet grønn alge.
Transmisjonselektronmikroskop-bilde av en snittet grønn alge.

Ikke levende

En ulempe med elektronmikroskopi er at prøven må være død. Avbildningen foregår i vakuum.

- Slik er det dessverre, for elektroner har så utrolig kort bølgelengde. De hadde ikke klart å gå gjennom luften i kanskje mer enn en millimeter eller to før de hadde blitt spredd i alle retninger, sier Roos.

Det er fordi elektronene da hadde krasjet med masse luftmolekyler før de nådde frem.

Elektronstrålene er også så høyenergiske og kan skade materialet.

Dette er det til dels funnet en løsning på.

Ved å fryse ned prøven med flytende nitrogen er biologisk materiale bedre beskyttet. Denne metoden kalles kryo-elektronmikroskopi.

De som utviklet teknikken fikk nobelprisen i kjemi i 2017.

Proteiner og molekyler

Helt i bunnen av nanoskalaen, kommer vi til molekylenes verden.

Strukturbiologen og illustratøren David Goodsell er kjent for sine malerier som fremstiller mylderet av molekyler inne i celler. Her ser vi blant annet ribosomer, «protein-fabrikker», som er klumpene i blått.
Strukturbiologen og illustratøren David Goodsell er kjent for sine malerier som fremstiller mylderet av molekyler inne i celler. Her ser vi blant annet ribosomer, «protein-fabrikker», som er klumpene i blått.

Blant biomolekylene finner vi proteiner og RNA.

Ribosomene er satt sammen av flere proteiner og RNA-molekyler og er cirka 30 nanometer i diameter.

Antistoff-molekyler er rundt 12 nanometer. Proteinet hemoglobin, som frakter oksygen rundt i kroppen er bare 6,5 nanometer.

I menneskecellene finnes det rundt 20 000 forskjellige proteiner. Det foregår mye forskning i laboratorier rundt i verden for å bestemme strukturen eller «formen» til de mange forskjellige proteinene. Da kan man vite mer om deres funksjon, og hvordan de eventuelt kan påvirkes.

Vi finner også proteiner på overflaten til koronaviruset: De såkalte proteinpiggene.

Kan man se dem?

Rein Aasland er instituttleder ved Institutt for biovitenskap, UiO. Han svarer.

- Da kommer du ikke så mye lenger med klassisk transmisjonsmikroskopi enn at det blir slike «knopper», sier han til forskning.no.

Dette bildet er av MERS-viruset som er beslektet med SARS-CoV-2. Her kan man se proteinpiggene, men ikke skarpt.
Dette bildet er av MERS-viruset som er beslektet med SARS-CoV-2. Her kan man se proteinpiggene, men ikke skarpt.

For å avdekke den tredimensjonale formen til proteiner, er det tradisjonelt brukt en metode som kalles røntgenkrystallografi.

Da brukes røntgenstråling, som har kort bølgelengde. Utfordringen er at proteinet må isoleres, renses og krystalliseres først. Dette er slettes ikke alltid trivielt, forteller Rein Aasland.

- Når du kommer til røntgendiffraksjon, for å virkelig se molekyler på atomnivå, da har du for lengst forlatt der hvor øyet kan se noe som helst, det du ser er basert på beregninger. Så fremstilles det som bilder eller tredimensjonale modeller.

Under ser du hvordan et røngtenkrystallografibilde kan se ut. Det blir ikke noe direkte bilde. Men mønsteret kan brukes til å gjøre beregninger av hvordan, i dette tilfellet et enzym knyttet til koronavirus ser ut og er strukturert.

Røntgenkrystallografi.
Røntgenkrystallografi.

«Ser» enkeltpartikler med kryo-elektronmikroskopi

Nå kan man også bruke kryoelektronmikroskopi til å studere de aller minste strukturene.

- De siste 10-15 årene har det vært en rivende utvikling innen kryoelektronmikroskopi, sier Aasland.

- Det er særlig nye og kraftige teknikker for å analysere enkeltpartikler som har gjort susen og man kan nå «se» proteinmolekyler i nesten atomær detalj med det som kalles enkeltpartikkel kryoelektronmikroskopi.

Da må molekylene tas fra celler og strøs utover før de plasseres i mikroskopet.

- Man analyserer tusenvis, hundretusenvis eller millionvis av bilder av enkeltpartikler i forskjellige vinkler. Ved å benytte avanserte dataprogram kan man så rekonstruere overflatebilder av biomolekyler som for eksempel proteiner.

Aasland forteller at det nå planlegges å skaffe det første instrumentet for enkeltpartikkel kryoelektronmikroskopi til Norge.

Detaljert rekonstruksjon av et virus basert på kryoelektronmikroskopi.
Detaljert rekonstruksjon av et virus basert på kryoelektronmikroskopi.

For å finne ut hvordan et enkelt protein er strukturert, kan forskere trolig snart bruke en annen metode også. Før jul ble det kjent at et AI-program klarte å finne formen til proteiner omtrent like godt som krevende og kostbare eksperimentelle metoder.

Kan se atomer

Nå er vi omtrent nede på atomnivå.

Vi har delt en millimeter på tusen, en mikrometer på tusen og må nå dele en nanometer på tusen, da kommer picometer-skalaen.

Her finnes atomene. De har diametere på mellom 30 og 600 picometer.

For å få en idé om størrelsen: Det minste vi kan se med øyet, tykkelsen på et hårstrå, har grovt regnet plass til 700 000 karbonatomer i bredden, ifølge Facts in motion. Det er ikke så lett å se for seg diameteren på tuppen av hårstrået delt inn i 700 000 deler, mildt sagt.

Men ja, forskere kan avbilde atomer, sier Norbert Roos.

- Fysikere og materialforskere spesielt, kan se helt ned til atomnivå, sier Roos.

- Så man kan se kuler ved siden av hverandre som da faktisk er atomstrukturen i et materiale?

- Ja for eksempel, sier Roos.

I 2009 viste forskere ved Berkeley Lab fram en film av atomer som danner grafen. Grafen er et lag med karbonatomer ordnet i sekskantmønster.

I filmen er det laget et hull i materialet (grått felt), og atomene rearrangerer seg som følge av det. Det var verdens kraftigste transmisjonselektronmikroskop som ble brukt til å avbilde atomene. Det hvite er atomene og bindingene.

Det er flere sensasjonelle bilder. I 2013 laget IBM-forskere «verdens minste film». Forskerne flyttet rundt på atomer og laget «tegnefilm» av en gutt med ball.

I 2018 kunne studenten David Nadlinger presentere et bilde av et lysende atom tatt med digitalkamera (!) og lang lukkertid.

Grensen brutt

Som nevnt har den fysiske grensen for hva vi kan se med lysmikroskoper vært rundt 200 nanometer, på størrelse med de aller minste bakteriene.

Men det stemmer ikke helt lenger.

- Det er flere teknologier som er ute og går for å lure fysikken. Det er nesten analogt med å lure tyngdekraften, sier Aasland.

Metodene kalles superoppløst lysmikroskopi. Tre forskere som bidro til utviklingen vant nobelprisen i kjemi i 2014.

I dag kan forskere studere ting som skjer inne i levende celler med lysmikroskop i nanoskala. Og i motsetning til med elektronmikroskopi, der prøven er død, kan man se bevegelser.

Lys-triks gir skarpe bilder

Oddmund Bakke ved Institutt for biovitenskap, UiO, har lenge jobbet med mikroskopi og leder NorMIC Oslo som driver med avansert mikroskopi.

- Det å se er et begrep som er har fått en ganske annen definisjon for en mikroskopist i dag i forhold til da jeg startet min karriere på 70-tallet, sier Bakke.

Ved hjelp av nye mikroskopiteknikker kombinert med raske og avanserte datamaskiner og dataprogram, kan man se objekter ned til molekyler i levende celler, sier Bakke.

-I et super-resolusjons lysmikroskop er oppløsningen bedre enn beskrevet av Abbes lov og en har kommet ned mot 5-10 nanometer i oppløsning.

Høyoppløselig lysmikroskopi er mye basert på at proteiner og andre molekyler kan kobles til fluorescerende kjemiske forbindelser.

Fluorescens er når et stoff absorberer stråling og sender det ut i mer langbølget form. For eksempel kan det absorbere UV-stråling å sende det ut i det synlig spekteret.

- Ved hjelp av molekylærbiologi og genmanipulering kan forskerne sette fluorescerende proteiner på en eller flere av de cirka 20 000 forskjellige proteinene i en pattedyrcelle. Laserlys får disse til å sende ut fluorescens, som igjen kan detekteres ved hjelp av optiske detektorer, sier Bakke.

CRISPR-Cas9, en teknikk for genmanipulasjon som fikk Nobelprisen i 2020, er også til stor hjelp, sier han.

- Da kan en enklere og mer effektivt sette inn disse merkelappene i enkeltproteiner i cellene.

Bilde av mikrotubulus hos celler, bildet til venstre er begrenset av diffraksjon, mens bildet til høyre er superoppløst.
Bilde av mikrotubulus hos celler, bildet til venstre er begrenset av diffraksjon, mens bildet til høyre er superoppløst.

- Som på samlebånd

Bakke jobber selv mye med levende celler, og hvordan såkalte vesikler transporteres inne i cellen. Vesikler er små blærer hvor stoffer kan transporteres eller lagres.

- Disse studiene tok av på 90-tallet da det ble oppdaget at en kunne få alle typer celler til å produsere fluorescerende proteiner ved enkel genmanipulasjon, sier Bakke.

- Den store overraskelsen ved å studere liv inne i cellene var den utrolige organisering av alle cellens mekanismer, og hvor raskt alt bevegde seg.

Vesikler kan drives fram flere mikrometer per sekund og molekyler mye raskere. En typisk pattedyrcelle er 10-30 mikrometer i diameter, så flere mikrometer per sekund er veldig raskt, forklarer Bakke.

- Produksjon av nye molekyler er også velorganisert. For å komme fram til det endelige produktet er det som et samlebånd der endringene skjer etter hvert av et proteinmaskineri.

Superresolusjon har også ført til at studiet av cellekjernen har tatt av.

- I dag kan en studere kromosomer og aktivering av gener i levende celler – noe som tidligere var utenkelig, sier Bakke.

Robert Betzig, som var en av de som vant nobelprisen for superoppløst mikroskopi i 2014, imponerte igjen i 2018. Han og kollegaer viste frem videoer, der man ved hjelp av en ny teknikk blant annet kan se immunceller som spiser sukkerkorn. Se video under.

Kan man se DNA?

Til slutt, hva med arvestoffet, DNA-et, kan forskere se det?

Øyvind Ødegård Fougner, postdoktor ved Radiumhospitalet i Oslo, gjorde doktorgradsprosjektet sitt ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg.

- Inni hver eneste celle i kroppen så har du en to meter lang DNA-tråd som er krølla sammen. Det er ikke tilfeldig hvor den ligger, det er veldig organisert. Og det store problemet er at det også er veldig kompakt. Spørsmålet vi stilte oss var hvordan den ligger den kveila sammen inne i cellene, sier Fougner.

Et kromosom kan man se med vanlig mikroskop.

- Men å vite hvordan selve DNA-tråden er kveilet sammen er vanskelig, og krever superoppløsningsmikroskop, sier Fougner.

Forskere har tatt bilder av DNA-tråder i elektronmikroskop. Under er to eksempler.

Det er begrenset hvor detaljert man får det.

-Man får ikke informasjon om hvilken del av genomet man ser på. Med lysmikroskop kan du også få denne informasjonen sier Fougner.

DNA-tråd.
DNA-tråd.
Nærbilde som viser formen på dobbeltspiralen, se de stiplede linjene.
Nærbilde som viser formen på dobbeltspiralen, se de stiplede linjene.

Øyvind Ødegård Fougner har jobbet han med å avbilde DNA ved hjelp av superoppløst lysmikroskopi. De forsøkte å få god nok oppløsning til å se DNA i en celle, ned til små grupper med basepar og hvordan det hele ligger i kjernen.

- Det jeg fikk til, er at hvis du tar DNA ut av cellene og gjør det som et biokjemiforsøk så kan jeg få 20 nanometer oppløsing og enkelt skille fra hverandre 632 basepar.

Men Fougner ville helst se på DNA-et i sitt naturlige miljø. Han fant ut at behandlingen som gjøres før en celle kan studeres i mikroskopet, ødelegger DNA-et.

- Du studerer ikke biologi lenger når DNA-et det har eksplodert ut i alle retninger.

Fougner fant en ny metode for å behandle cellene slik at de kunne studeres i de avanserte mikroskopene med DNA-et i god behold.

Han kunne da se med en oppløsning på 5000 basepar, altså var det den minste enheten som kunne skilles fra hverandre, og han kunne se DNA kveile seg i cellen.

- Se for deg et to meter langt tau, så setter jeg lampa i starten, skrur på og av igjen, så flytter jeg litt bortover, på og av, går systematisk igjennom tauet, og finner ut hvor en og en bit er.

Fougner har jobbet med å finne ut hvordan DNA-tråden ligger i en celle.
Fougner har jobbet med å finne ut hvordan DNA-tråden ligger i en celle.

Utviklingen fortsetter

Oddmund Bakke oppsummer med at vi i dag kan se «hele veien».

- Summen av dette er at en forstår prosesser og mekanismer, og ikke minst forstår hva som går feil, fra kreft til arvelige genetiske sykdommer.

Dette er viktig for å finne nye medisiner, eller for å lage vaksiner, for eksempel mot koronaviruset.

Men biologer ser likevel gjerne at det kommer nye fremskritt for å kunnes studere livet på et enda mer detaljert nivå.

- Det er ingen grenser for hva vi ønsker, sier Rein Aasland.

- Egentlig så vil vi se mest mulig, for det er mye og hurtige bevegelse på veldig liten skala.

- Det skjer teknologiske nyvinninger hele tiden og det skjer over hele linja. En ting er å komme enda lenger ned på atomnivå, en annen ting er kan vi fange mer detaljer på cellenivå. Mikroskopi, bildedannelse, er teknologifelt som er under kontinuerlig utvikling.

Powered by Labrador CMS