Pomalé elektrony zobrazují jednotlivé molekuly

pondělí 12. říjen 2009 11:03

Fyzikům se podařilo zobrazit jednotlivé molekuly DNA natažené přes otvor v uhlíkovém filmu pomocí paprsku pomalých elektronů urychlených napětím asi 60 V v jednoduchém uspořádání podobném dirkové kameře (camera obscura). Molekuly se uhlíkový film nanáší z vodného roztoku, po odsátí přebytku roztoku se vzorek ochladí v kapalném etanu a vymražený se umístí do vakua, ve kterém se voda z ledu odpaří v pevném stavu, čímž se zabrání slepení vláknitých molekul DNA.

Molekuly DNA (desoxyribonukleové kyseliny) jsou v živých organismech nositelem genetické informace. V mikroskopických experimentech se používají proto, že je lze snadno izolovat (viz návod níže) a jsou poměrně velké. Zvýšením napětí (zvýšením rychlosti elektronů) by bylo možné de Broglieho vlnovou délku snížit, ale při vyšším napětí molekuly rychle degradují, protože je rychle letící elektrony rozruší (viz obr. níže pro elektrony urychlené napětím 250 V). Rozvlnění obrazu kolem molekuly (viz obr. 2 níže) je způsobeno de Broglieho vlnou elektronů (s vlnovou délkou asi 10-10 m), které tak názorně předvádějí dvouštěrbinový experiment. Náboj elektronů (s hustotou cca 10+8 electronů/nm2) se na CCD detektoru při 60 V shromažďuje asi hodinu.

Obr. 1: Uspořádání experimentu je v principu velmi jednoduché, při pokusu je celé zařízení ve vakuu a chlazeno na nízkou teplotu kapalným dusíkem.

Obr. 2: Snímek molekuly DNA natažené přes otvor v porézním uhlíkovém filmu. Rozvlnění obrazu kolem molekuly je způsobeno kvantově mechanickými efekty (deBroglie vlnou vznikající v okolí prolétávajících elektronů).

Obr. 3: Experiment je citlivý na urychlovací napětí elektronů. Již při napětí o něco vyšším než 60 V se molekula DNAběhem několika minut rychle rozpadá.

Obr. 4: Popsaný experiment je pouze demonstrace principu, v kvalitním elektronovém mikroskopu vypadá DNA molekula přece jen lépe, je ale nutné ji pokrýt tenkou vrstvou zlata, aby se pro elektrony stala zřetelnější. Na tomto snímku je zvětšena třímilionkrát, takže můžeme postřehnout její jednotlivé povrchové struktury. Jde o mitochondriální DNA, která je poměrně krátká a tvoří uzavřenou smyčku. Mitochondrie jsou buněčné organely, o kterých se předpokládá, že jde o archeobakterie, původně zachycené anaerobními organismy jako symbionty pro jejich schopnost dýchat atmosférický kyslík, proto se jejich DNA v buňkách živých organismů udržuje separátně.

DNA molekula v elektronovém mikroskopu

Obr.5: Vláknitý charakter molekul DNA je patrný i ve vodném roztoku, ze kterého je lze vysrážet alkoholem. Molekuly DNA jsou velmi křehké - už lehké zamíchání nebo převedení do alkalického roztoku je nenávratně potrhá. V živých buňkách jsou proto molekuly několikanásobně smotány do kompaktních balíčků pomocí zásaditých bílkovin, nazývaných histony, za kterých se vybaluje těsně před použitím. V buňce z nich nejprve vznikají pracovní kopie t-RNA, které se teprve používají pro výrobu bílkovin, aby se originální molekula DNA zbytečně neopotřebovala.

DNA v lihovém roztoku

Obr. 6: Animovaný model DNA. Strukturu DNA tvoří vláknitá dvoušroubovice a definitivně byla rozluštěna v roce 1953. Její objevitelé James Watson, Francis Crick a Maurice Wilkins byli oceněni v roce 1962 Nobelovou cenou. Na původní autorku rentgenového snímku, který byl použit k určení struktury, Dr. Rosalind Elsie Franklinovou se přitom jaksi "pozapomělo", dr. Franklinová později významně přispěla k objasnění vláknité struktury viru tabákové mozaiky.

Animovaný model struktury DNA

Příloha: Jak získat DNA z živého organického materiálu? (1)

1. vezměte libovolný biologický materiál (např. zelený hrášek, cibuli, špenát, kuřecí játra, atp.) v množství asi 100 ml, přidejte špetku kuchyňské soli (stačí méně než 1/8 lžičky), asi 200 ml studené vody a dobře rozmixujte. Mixer oddělil jednotlivé buňky biologického materiálu od sebe. 
 
2. Nalijte vzniklou „polévku“ do skleničky a přidejte kapalný detergent v objemu asi 1/6 celkového množství (asi 2 polévkové lžíce). Může to být libovolný prostředek na mytí nádobí, např. Jar, Pur, apod. Dobře rozmíchejte a nechte v klidu asi 5–10 minut. Ze směsi odlijte do zkumavky, do cca 1/3 výšky. Detergent naruší buněčné stěny a stěny buněčných jader. 
 
3. Do zkumavky přidejte pár kapek enzymu. Enzym oddělí DNA od ostatního buněčného materiálu. Potřebný enzym obsahuje např. kapalina na čištění kontaktních čoček nebo čistý ananasový džus. Zamíchejte velmi jemně a opatrně – nyní už máte ve zkumavce vlákna DNA a hrubým mícháním by se polámala.  
 
4. Opatrně po skle přilejte do zkumavky alkohol (stačí denaturovaný líh) tak, aby vytvořil nad směsí vrstvu o přibližně stejné tloušťce. Nemíchejte! Po chvilce se začne do alkoholové vrstvy oddělovat DNA. Opatrně pinzetou nebo háčkem můžete pomoci vytahovat vlákna do horní čiré vrstvy.  Ten bělavý chuchvalec nitek – to je DNA organismu, který byl na počátku vašeho pokusu.

Milan Petřík