Polenovo zrno koje prikazuje nanopenu u unutrašnjosti ili dijatomeju sa jasno vidljivim pojedinačnim geometrijskim strukturama: Koristeći visokoenergetske rendgenske zrake iz PETRA III sinhrotronskog izvora svetlosti u DESI, tim predvođen CFEL naučnicima Sašom Bajtom i Henrijem Čepmenom uspeo je da slikajte ove strukture bez njihovog oštećenja.
Njihova nova tehnika generiše rendgenske slike visoke rezolucije osušenog biološkog materijala koji nije prethodno zamrznut, premazan ili na drugi način izmenjen – sve sa malim ili nimalo oštećenja uzorka. Ovaj metod, koji se takođe koristi za skeniranje aerodromskog prtljaga, može da generiše slike materijala u nanometarskoj rezoluciji.
Koristeći visokoenergetske rendgenske zrake koji su intenzivno fokusirani kroz set novih difrakcionih sočiva, specijalna tehnika omogućava da se snimanje izvede na manje od 1% praga oštećenja rendgenskim zracima uzorka. Rezultati, koji otkrivaju ovaj metod kao obećavajući alat za svetlije izvore svetlosti sledeće generacije, kao što je planirani projekat nadogradnje PETRA IV, objavljeni su u časopisu Light: Science & Applications.
Rendgenska svetlost stupa u interakciju sa biološkim materijalom na različite načine, uglavnom u zavisnosti od energije i intenziteta svetlosti. Istovremeno, oštećenja od zračenja, kao što su male strukturne promene do potpune degradacije uzorka, predstavljaju ograničavajući faktor tokom rendgenskog snimanja bioloških uzoraka.
Pri niskim energijama, rendgenske zrake prvenstveno apsorbuju atomi u uzorku, čiji elektroni preuzimaju energiju, uzrokujući da iskaču iz atoma i uzrokuju oštećenje uzorka. Slike koje koriste ove niskoenergetske rendgenske zrake tako mapiraju apsorpciju zračenja od strane uzorka. Pri većim energijama, apsorpcija je manje verovatna i dolazi do procesa koji se naziva elastično rasejanje, gde se rendgenski fotoni „odbijaju“ od materije poput bilijarskih kuglica bez deponovanja svoje energije.
Tehnike kao što su kristalografija ili ptihografija koriste ovu interakciju. Ipak, apsorpcija i dalje može da dođe, što znači da se oštećenje uzorka ipak dešava. Ali postoji i treća interakcija: Comptonovo rasejanje, gde rendgenski zraci ostavljaju samo malu količinu svoje energije u ciljnom materijalu. Comptonovo rasejanje je u velikoj meri ignorisano kao održiva metoda rendgenske mikroskopije, pošto zahteva još veće energije rendgenskih zraka gde do sada nisu postojala odgovarajuća sočiva visoke rezolucije.
„Koristili smo Comptonovo rasejanje i shvatili smo da je količina energije deponovane u uzorak po broju fotona koje možete otkriti niža nego korišćenjem ovih drugih metoda“, kaže Čepmen, koji je vodeći naučnik u DESI, profesor na Univerzitetu. Hamburg, i pronalazač različitih rendgenskih tehnika na sinhrotronima i laserima sa slobodnim elektronima.
Prednost male doze u uzorku predstavljala je izazov za izradu odgovarajućih sočiva. Rendgenski zraci visoke energije prolaze kroz sve materijale i jedva se prelamaju ili savijaju, koliko je potrebno za fokusiranje. Bajt, koji je vođa grupe u CFEL-u, predvodio je napore za razvoj nove vrste refraktivnih sočiva, nazvanih višeslojna Laue sočiva. Ova nova optika sastoji se od preko 7300 nanometara tankih naizmeničnih slojeva silicijum karbida i volfram karbida koje je tim koristio da konstruiše holografski optički element koji je bio dovoljno debeo da efikasno fokusira snop rendgenskih zraka.
Koristeći ovaj sistem sočiva i PETRA III snop P07 u DESI-u, tim je snimio različite biološke materijale detektujući podatke o Comptonovom rasejanju dok je uzorak prošao kroz fokusirani snop. Ovaj način skenirajuće mikroskopije zahteva veoma svetao izvor – što svetliji, to bolji – koji je fokusiran na mesto koje definiše rezoluciju slike.
PETRA III je jedna od postrojenja za sinhrotronsko zračenje širom sveta koja je dovoljno svetla pri visokim energijama rendgenskih zraka da može da dobije slike na ovaj način u razumnom vremenu. Tehnika bi mogla dostići svoj puni potencijal sa planiranim PETRA IV postrojenjem.
Da bi testirao metodu, tim je koristio cijanobakteriju, dijatomeju, pa čak i zrno polena sakupljeno direktno izvan laboratorije („veoma lokalni primerak“, smeje se Bajt) kao svoje uzorke i postigao rezoluciju od 70 nanometara za svaki.
Štaviše, u poređenju sa slikama dobijenim iz sličnog uzorka polena korišćenjem konvencionalne metode koherentnog rasejanja pri energiji od 17 keV, Compton rendgenska mikroskopija je postigla sličnu rezoluciju sa 2000 puta manjom dozom rendgenskog zračenja. „Kada smo nakon eksperimenta ponovo pregledali uzorke pomoću svetlosnog mikroskopa, nismo mogli da vidimo nikakav trag o tome gde je snop došao u kontakt sa njima“, objašnjava ona — što znači da za sobom nije ostalo nikakvo oštećenje radijacije.
„Ovi rezultati bi mogli biti čak i bolji“, kaže Chapman. „U idealnom slučaju, ovakav eksperiment bi koristio sferni detektor, jer rendgenski zraci koji izlaze iz uzorka idu u svim pravcima od uzorka. Na taj način, to je pomalo kao eksperiment kolizije fizike čestica, gde treba da sakupite podaci u svim pravcima“.
Pored toga, Chapman je istakao da je slika cijanobakterija relativno beznačajna u poređenju sa ostalima. Međutim, podaci ukazuju da bi pri većoj osvetljenosti, kao što je planirana nadogradnja PETRA IV, pojedinačne organele, pa čak i strukture u tri dimenzije, postale vidljive – do rezolucije od 10 nm bez oštećenja. „Zaista, jedino ograničenje ove tehnike nije bila priroda same tehnike, već izvor, odnosno njena svetlost“, kaže Bajt.
Sa svetlijim izvorom, metoda bi se zatim mogla koristiti za snimanje celih ćelija ili tkiva bez preseka, dopunjujući krio-elektronsku mikroskopiju i optičku mikroskopiju super rezolucije, ili za praćenje nanočestica unutar ćelije, kao što je direktno posmatranje isporuke leka. Karakteristike Comptonovog rasejanja čine ovu metodu idealnom i za nebiološku upotrebu, kao što je ispitivanje mehanike punjenja i pražnjenja baterija.
„U literaturi još nije bilo ništa slično ovoj tehnici“, kaže Bajt, „tako da ima još mnogo toga da se istraži.
