Ker je valovna dolžina elektronskega žarka 100.000-krat krajša od valovne dolžine vidne svetlobe, je teoretična ločljivost elektronske mikroskopije 0,001 nm. Toda zaradi napak magnetnih leč je dejanska maksimalna ločljivost osnovnih tehnik elektronske miroskopije okoli 0,1 nm oz 1 \r A. Praktično ločljivost pa določa tudi vrsta vzorca in njegove značilnosti. Praktično dosegljiva ločljivost bioloških vzorcev je zaradi njihovih lastnosti okoli 1 nm (Echin, 2009; Egerton, 2005; Goodhew et al., 2001; Khan, 212; Watt, 1997). Poznamo dve osnovni vrsti elektronskih mikroskopov (presevni elektronski mikroskop oz. TEM in vrstični elektronski mikroskop oz. SEM), ki se po svojih značilnostih
in principu delovanja precej razlikujeta. Konstrukcija TEM je v osnovi podobna svetlobnemu mikroskopu. Vir ``svetlobe'' nadomesti elektronska puška oz. linearni pospeševalnik iz katode in anode. Katoda poskrbi za vir elektronov in anoda za pospeševanje v smeri preparata. Snop elektronov nato potuje po koloni, v kateri moramo vzdrževati visoki vakum. Za fokusiranje in radialno pospeševanje snopa poskrbi sistem elektromagnetnih leč, ki delujejo kot kondenzor, objektiv in projektiv. Med snopom elektronov in preparatom pride do interakcij (odboj, elastično in neelastično sipanje), katerih frekvenca je odvisna od elektronske gostote preparata. Klasična priprava preparatov za TEM je postopek iz 6 korakov: fiksacija, dehidracija, vklapljanje, rezanje, prenos na nosilec in kontrastiranje s težkimi kovinami (Echin, 2009; Egerton, 2005; Goodhew et al., 2001; Khan, 212; Watt, 1997).
Gensko spremenjeni organizmi in potencialna tveganja poročilo diskusije(nej...
ELEKTRONSKA MIKROSKOPIJA MIKROGRAFIJE IN ULTRASTRUKTURE
1. UNIVERZA V LJUBLJANI
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA BIOLOGIJO
Nejc DRAGANJEC
ELEKTRONSKA MIKROSKOPIJA
MIKROGRAFIJE IN ULTRASTRUKTURE
POROCILO O VAJAH PRI PREDMETU
FUNKCIONALNA BIOLOGIJA CELICE
Molekulska in funkcionalna biologija MSc
Mentor: asist. dr. Nada ŽNIDARŠIC
Mentor: dr. Magda TUŠEK ŽNIDARIC
Ljubljana, 2014
4. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
2
1 UVOD
Ker je valovna dolžina elektronskega žarka 100.000-krat krajša od valovne dolžine
vidne svetlobe, je teoreticna locljivost elektronske mikroskopije 0,001 nm. Toda zaradi
napak magnetnih lec je dejanska maksimalna locljivost osnovnih tehnik elektronske
miroskopije okoli 0,1 nm oz 1 Å. Prakticno locljivost pa doloca tudi vrsta vzorca in
njegove znacilnosti. Prakticno dosegljiva locljivost bioloških vzorcev je zaradi njihovih
lastnosti okoli 1 nm (Echin, 2009; Egerton, 2005; Goodhew et al., 2001; Khan, 212;
Watt, 1997).
Poznamo dve osnovni vrsti elektronskih mikroskopov (presevni elektronski mikroskop
oz. TEM in vrsticni elektronski mikroskop oz. SEM), ki se po svojih znacilnostih
in principu delovanja precej razlikujeta. Konstrukcija TEM je v osnovi podobna
svetlobnemu mikroskopu. Vir “svetlobe” nadomesti elektronska puška oz. linearni
pospeševalnik iz katode in anode. Katoda poskrbi za vir elektronov in anoda za
pospeševanje v smeri preparata. Snop elektronov nato potuje po koloni, v kateri
moramo vzdrževati visoki vakum. Za fokusiranje in radialno pospeševanje snopa poskrbi
sistem elektromagnetnih lec, ki delujejo kot kondenzor, objektiv in projektiv. Med
snopom elektronov in preparatom pride do interakcij (odboj, elasticno in neelasticno
sipanje), katerih frekvenca je odvisna od elektronske gostote preparata. Klasicna
priprava preparatov za TEM je postopek iz 6 korakov: fiksacija, dehidracija, vklapljanje,
rezanje, prenos na nosilec in kontrastiranje s težkimi kovinami (Echin, 2009; Egerton,
2005; Goodhew et al., 2001; Khan, 212; Watt, 1997).
5. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
3
2 ULTRASTRUKTURA VIRUSOV IN BAKTERIJ (VAJE 19. 12. 2013)
2.1 BAKTERIOFAGI
Elektronsko mikroskopijo virusov se dandanes uporablja za hitro diagnostiko kužnih
delcev (npr. pri porajajocih se boleznih in osebah ter živalih z imunsko pomanjkljivostjo),
za skrajšanje postopka na celicnih kulturah (npr. virus Nipah, SARS, metapneumovirus,
bocavirus), za iskanje novih povzrociteljev, kadar reagenti ali diagnosticne metode niso
na razpolago, pri “odprtem pogledu”, kadar je možnih vec povzrociteljev, ter pri kontroli
kvalitete in dobre laboratorijske prakse (npr. ugotavljanje specificnosti antigenov in
metod). Metode elektronske mikroskopije so bile v virologiji preteklosti že veckrat
kljucne. Eno izmed prvih odkritij ob pomoci elektronske mikroskopije je bila 1948
odkrita razlika med virusom crnih koz (Orthopox, Poxviridae) in virusom varicele zostra
(Varicellovirus). 1952 smo dobili prvo mikrografijo poliovirusa, 1976 je bil v Zairu odkrit
virus Ebola, v novejših casih pa nam je elektronska mikroskopija leta 2003 podala kar
dve diagnozi, in sicer diagnozo SARS na Kitajskem in virusa opicjih koz pri prerijskih
psih in ljudeh v ZDA (Goodhew et al., 2001; Watt, 1997).
Postopek priprave virusnega preparata za elektronsko mikroskopijo gre vedno skozi
4 glavne stopnje: 1. odvzem in prenos kužnine, 2. delo s kužnim in zelo kužnim
materialom, 3. koncentriranje virusov v suspenziji do koncentracije najmanj 106/ml
in 4. priprava vzorca za opazovanje. Priprava vzorca za opazovanje nudi dva možna
pristopa. En pristop je negativno kontrastiranje in drugi pristop je vlaganje vzorcev in
priprava ultratankih rezin. Vzorci, ki smo jih pri vajah opazovali mi, so bili pripravljeni
z negativnim kontrastiranjem (Echin, 2009; Egerton, 2005; Khan, 212; Watt, 1997).
S tehniko negativnega kontrastiranja izkorišcamo elektronsko prepustnost virusov.
Kontrastnost povecamo z uporabo negativnih kontrastnih sredstev, kar pomeni, da
s težkimi kovinami okolju zmanjšamo prepustnost za elektrone. Ker le elektroni, ki
prehajajo skozi vzorec, dajo sliko virusa, so virusi svetlejši od okolice. Kontrastna
sredstva, ki se uporabljajo najpogosteje, so fosforvolframova kislina (2 %), amonijev
molibdat (1 %) in uranilni acetat (1 %). Vzorec se nanaša na bakrove mrežice s
standardno 400 polji, prevlecene s plasticnim filmom (formvar ali pioloform) in ojacane
z ogljikom (Egerton, 2005; Frank, 1992; Goodhew et al., 2001; Khan, 212; Watt, 1997).
Preparat, ki smo ga gledali na vajah, je bil negativno kontrastiran premaz bakteriofagov,
zaradi velikosti najverjetneje bakteriofagov T4, ki so med najvecjimi fagi in dosegajo
200 nm v dolžino 100 nm v širino. Znacilna je tudi opažena bazalna plošca, vzorec na
repu pa namiguje na prisotnost kontraktilne prevleke, ki je še ena izmed lastnosti fagov
T4, a je zaradi slabega kontrasta in ostrine ne moremo nedvomno potrditi (Madigan
6. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
4
et al., 2012).
Slika 2.1: Oznacene ultrastrukture: (1) kapsida, (2) bazalna plošca, (3) vrat z vzorcem, ki bi lahko
predstavljal kontraktilno prevleko, (4) kontrastno sredstvo, ki ga je bilo na preparatu nekoliko prevec,
(5) ovratnik (Madigan et al., 2012).
7. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
5
2.2 RIKECIJE
Rikecije so obligatne intracelularne G bakterije, ki lahko rastejo znotraj citoplazme
gostiteljskih evkariontskih celic. Za rikecije je težko predvideti virulentnost in zmožnost
patogeneze na cloveku, saj obstaja velika variabilnost v virulenci že med osebki iste
vrste (Boldis et al., 2009).
Preparat, ki smo ga opazovali, so bile pripravljene ultratanke rezine z rikecijami
(Rickettsia slovaca) okuženih celic.
Slika 2.2: Oznacene ultrastrukture: (1) proste zunaj celicne Rickettsia slovaca, (2) proste Rickettsia
slovaca v citoplazmi, (3) jedro, (4) citoplazemske vakuole, (5) napihnjen endoplazmatski retikulum, (6)
napihnjen/otecen mitohondrij, (7) prosta Rickettsia slovaca znotraj jedra (Boldis et al., 2009).
8. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
6
Slika 2.3: Oznacene ultrastrukture: (1) tvorjenje septuma med deleco se Rickettsia slovaca, (2) dolga
oblika Rickettsia slovaca (vec kot 2 mikro metra), (3) mitohondrij, (4) jedro, (5) jedrce, (6) Rickettsia
slovaca med prodiranjem proti/v jedro (Boldis et al., 2009).
9. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
7
Slika 2.4: Oznacene ultrastrukture: (1) kolonija Rickettsia slovaca v obliki krofa (“doughnut colonies”),
(2) citoplazemske vakuole, (3) aktinski repi, fenotip rikecij (Boldis et al., 2009).
10. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
8
3 ULTRASTRUKTURA ŽIVALSKIH CELIC (VAJE 23. 12. 2013)
3.1 HEPATOPANKREAS
Preparat je bil pripravljen iz hepatopankreasa mokrice (Porcellio scaber ), ki je modelni
organizem in vivo poskusov na mnogih podrocjih, uveljavljeni pa so predvsem v toksiko-loških
raziskavah. Kopenski raki enakonožci so široko razširjena skupina, ki igra kljucno
ekološko vlogo v dekompoziciji organske snovi podrastja. Hepatopankreas je centralni
metabolni organ teh živali, pomembno vlogo pa ima tudi pri skladišcenju mineralov
(Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
11. Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
9
Slika 3.1: Oznacene ultrastrukture: (1) apikalni del celic S hepatopankreasa, (2) glikogen (minimalna
kolicina v primerjavi s celicami B), (3) mitohondriji, (4) granulirani elektronsko gosti depoziti po
citoplazemski površini plazemske membrane , (5) mašcobne kaplje, (6) avtofagna vakuola (Longo et al.,
2013; Znidaršic et al., 2003).
12. 10
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.2: Oznacene ultrastrukture: (1) Golgijev aparat, (2) mitohondriji, (3) jedro, (4) jedrna
membrana (Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
13. 11
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.3: Oznacene ultrastrukture: (1) jedrce, (2) jedro, (3) jedrna membrana, (4) mitohondriji (Longo
et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
14. 12
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.4: Oznacene ultrastrukture: (1) kromatin, (2) jedrne pore, (3) jedrna membrana, (4) ribosomi,
(5) mašcobna kaplja (Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
15. 13
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.5: Zgornja meja povecave in resolucije elektronskega mikroskopa, ki smo ga na vajah uporabljali.
Oznacene ultrastrukture: (1) jedrna membrana, (2) ribosomi (Longo et al., 2013; Znidaršic et al.,
2003).
16. 14
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.6: Oznacene ultrastrukture: (1) lizosom z izmerjenim premerom, (2) membrana lizosoma, (3)
ribosomi, (4) granulirani endoplazmatski retikulum (Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
17. 15
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.7: Oznacene ultrastrukture: (1) mitohondrij, (2) lizosom, (3) v lizosomu vskladišcen baker, (4)
notranja membrana mitohondrija (Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
18. 16
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.8: Oznacene ultrastrukture: (1) bazalna lamina B celice, (2) mitohondriji, (3) ribosomi, (4)
bazalni labirint z znacilnimi invaginacijami (Longo et al., 2013; Znidaršic et al., 2003).
19. 17
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
3.2 GONADE
Gonade so pripadale živali iz razreda Bivalvia, glede na ultrastrukturne lastnosti
spermatozojev morda celo Mytella sp.. Pomembnost morfologije spermatozojev za
taksonomijo je do sedaj poudarilo že veliko študij in v preteklosti je bila primerjava
spermatozojev že veckrat uspešno uporabljena za dolocanje filogenetskih odnosov
znotraj razreda Bivalvia. Že samo na podlagi prisotnosti ali odsotnosti akrosoma
lahko osebek uvrstimo med dve poddružini. Osebki, katerih spermatozoji ne posedujejo
akrosomalnega podaljška, spadajo v poddružino Modiolinae, osebki katerih spermatozoji
akrosomalni podaljšek imajo, pa v poddružino Mytilinae (Introíni et al., 2010). Slednje
drži tudi za naš preparat.
20. 18
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.9: Oznacene ultrastrukture: (1) mocno izraženi mitohondriji, (2) jedro z mocno kompaktirano
DNA, (3) akrosom, (4) precni prerezi flagelov z znacilno strukturo citoskeleta, (5) sub-akrosomalna
regija, (6) precni prerez akrosoma (Introíni et al., 2010).
21. 19
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.10: Oznacene ultrastrukture: (1) proksimalni centriol, (2) distalni centriol, (3) lep vzdolžni
prerez flagela, (4) precni akrosoma (Introíni et al., 2010).
22. 20
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.11: Oznacene ultrastrukture: (1) 2 centralna samostojna mikrotubula, (2) plazmalema, (3) 9
dvojnih mikrotubulov iz A in B tubula (Introíni et al., 2010).
23. 21
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
Slika 3.12: Oznacene ultrastrukture: (1) spermatozoj med razvojem, (2) mitohondrij, (3) jedro z že
precej kompaktirano DNA (Introíni et al., 2010).
24. 22
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
LITERATURA
Boldis V., Strus J., Kocianová E., Tusek-Znidaric M., Stefanidesová K., Spitalská E. 2009.
Ultrastructural study of the life cycle of Rickettsia slovaca, wild and standard type,
cultivated in L929 and Vero cell lines. Folia microbiologica 54, 2: 130–6 ISSN 1874-
9356 doi:10.1007/s12223-009-0019-4 URL http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
19418250
Echin P. 2009. Handbook of sample preparation for scaning electron microscopy and
x-ray microanalysis. Springer Science Business Media ISBN 9780387857305
Egerton R. F. 2005. Physical Principles of Electron Microscopy. Boston, MA: Springer
US ISBN 978-0-387-25800-3 doi:10.1007/b136495 URL http://www.springerlink.
com/index/10.1007/b136495
Frank J. 1992. Electron tomography. New York: Springer Science Business Media ISBN
9781475721652
Goodhew P. J., Humphreys J., Beanland R. 2001. Electron microscopy and
analysis. London, New York: Taylor & Francis 3rd edn. ISBN 0748409688
URL http://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=zuxPIVmGLGsC&oi=
fnd&pg=PR9&dq=Electron+Microscopy+and+Analysis&ots=-V0PqeZKYI&sig=
wcoH4wJoBYOxcIYyeoP9Oe_CvD8
Introíni G. O., Maester F. M., Leite F. P. P., Recco-Pimentel S. M. 2010. Sperm
ultrastructure of Mytella (Bivalvia) populations from distinct habitats along the
northern coast of São Paulo State, Brazil. Biocell : official journal of the Sociedades
Latinoamericanas de Microscopía Electronica ... et. al 34, 3: 103–11 ISSN 0327-9545
URL http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21443140
Khan M. 212. The transmission electron microscope. Rijeka: InTech ISBN
9789535104506
Longo G., Trovato M., Mazzei V., Ferrante M., Conti G. O. 2013. Ligia
italica (Isopoda, Oniscidea) as bioindicator of mercury pollution of marine
rocky coasts. PloS one 8, 3: e58548 ISSN 1932-6203 doi:10.1371/journal.pone.
0058548 URL http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=
3589354&tool=pmcentrez&rendertype=abstract
Madigan M. T., Martinko J. M., Stahl D. A., Clark D. P. 2012. Brock Biology of Micro-organisms.
San Francisco, CA: Benjamin Cummings 13th edn. ISBN 9780321649638
Watt I. M. 1997. The principles and practice of electron microscopy. Cam-
25. 23
Draganjec N., Elektronska mikroskopija – mikrografije in ultrastrukture
Porocilo o vajah, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2014
bridge: Cambridge University Press 2nd edn. ISBN 9781139170529 doi:
10.1017/CBO9781139170529 URL http://ebooks.cambridge.org/ref/id/
CBO9781139170529
Znidaršic N., Strus J., Drobne D. 2003. Ultrastructural alterations of the hepatopancreas
in Porcellio scaber under stress. Environmental toxicology and pharmacology 13, 3:
161–74 ISSN 1382-6689 doi:10.1016/S1382-6689(02)00158-8 URL http://www.ncbi.
nlm.nih.gov/pubmed/21782651