TLDR verze: Díky využití kvantově provázaných fotonů může pozorovat s nižšími intenzitami energií, které buňky neupečou. Něco takového doposud možné nebylo, protože buďto šlo pozorovat mrtvé buňky, nebo metoda pozorování buňky propekla. Studie tu.

Výlet do mikrosvěta

Mikroskop je nezbytnou součástí výbavy snad každého biologa, už od svého vynálezu v 16. století. Je fascinující i užitečné sledovat, z čeho se svět kolem nás i my sami vlastně skládáme! Od té doby ale mikroskopy urazily kus cesty. Z jednoduchých soustav čoček se staly dnešní konfokální a elektronové mikroskopy, které nám umožnily podívat se na život pěkně z blízka. A v nejnovější práci… ještě blíž!

Různé mikroskopy mají totiž i své nevýhody. Elektronové mikroskopy například dovedou pozorovat i jednotlivé atomy, nejde s nimi ale pozorovat živé buňky. Světelné mikroskopy zase mají horší rozlišení. Kvůli vlnové délce světla nelze běžným světelným mikroskopem pozorovat objekty menší než cca 200 nm (tzv. difrakční limit). Některé mikroskopy to umí obejít, například za pomoci vysoko-energetických laserů. Ty ale, bohužel, při pozorování vzorek doslova spálí…

Kvantový mikroskop, který vyvinuli vědci z Německa a Austrálie, se ale umí s tímto problémem poprat. Sleduje totiž vzorky pomocí kvantově provázaných fotonů, díky čemuž dosáhne vysokého rozlišení a zároveň je dostatečně šetrný na to, aby umožnil pozorování živých buněk!

Trocha fyziky

Tenhle kvantový mikroskop nefunguje jako klasické světelné mikroskopy, kterými jste se ve škole dívali na trepky a buňky cibule. Používá totiž tzv. Ramanovo zobrazování. Tahle technika vychází z Ramanovy infračervené spektroskopie (RIS), kterou vymyslel už v minulém století indický fyzik se snadno zapamatovatelným jménem, Sir Chandrasekhara Venkata Raman.

RIS funguje tak, že se vzorek prosvítí infračerveným laserem. Fotony z laseru jsou pohlceny molekulárními vazbami ve vzorku, a tím jim předají svojí energii. Molekulární vazby tuhle energii zase vyzáří zpátky, ve formě tzv. Stokesových fotonů.

Představte si to jako fluorescenční hvězdičky, které jste měli na stropě dětského pokoje. Když na ně zasvítíte baterkou, budou zpátky vyzařovat světlo, ale o jiné vlnové délce (jiná barva). Při RIS detektor zaznamená tyhle Stokesovy fotony a díky nim pak vědci dovedou určit chemické složení daného vzorku.  

Ramanovo zobrazování používá infračervené lasery s přesnou vlnovou délkou. Laser díky tomu předá energii jenom těm molekulárním vazbám, které vědci chtějí sledovat. Například chemickým vazbám v lipidech buněčné membrány. Detektor tak zaznamená jen signál, který vychází z těchto chemických vazeb a počítač z toho poskládá obrázek vzorku. V podstatě takovou lipidovou „mapu“ buňky…

Kvantová pomoc

Infračervené lasery ale mají jednu nevýhodu. Když jsou fotony z IR laseru pohlceny chemickými vazbami ve vzorku, opět dochází k jeho zahřívání. Při pozorování živých buněk tak může dojít k tomu, že se buňka zahřeje natolik, až se uvaří (jako když lupou spálíte mravence). A právě tady přichází na pomoc kvantová fyzika!

Kvantový mikroskop, který vyvinuli němečtí a australští vědátoři, totiž kromě infračerveného laseru, kterému se také říká excitační (protože předává energii vazbám a tím je „excituje“) používá ještě přídavný Stokesův laser. Tenhle druhý laser má stejnou vlnovou délku jako Stokesovy fotony, které vyzařují excitované chemické vazby. Při ozáření vzorku Stokesovým laserem dojde k tomu, že se fotony z laseru a fotony vyzářené ze vzorku kvantově provážou.

Každý foton vyzářený ze vzorku tak bude mít svého kvantového parťáka. Kvantová provázanost funguje tak, že když změříte jeden foton, znáte vlastnosti i jeho partnera. Právě díky tomu dovede kvantový mikroskop dosáhnout vysokého rozlišení, aniž by poškodil živé buňky. Kvantově provázané fotony totiž posilují signál vyzařovaný ze vzorku. Jelikož má každý foton svého parťáka, stačí, když do detektoru doputuje jeden z nich, aby předal informace o vzorku.

Díky tomu mohou vědci použít infračervený laser o menší intenzitě, vzorek se tolik nezahřeje, a živé buňky se neuvaří!

Pěkně zblízka

Když vědátoři pozorovali buňky kvasinek touhle metodou, byli schopní rozlišit i buněčnou stěnu, která tenčí než 200 nm! Kvantová mikroskopie tak umí překonat limity běžné světelné mikroskopie, a dosáhnout mnohem vyššího rozlišení. To by mohlo umožnit pozorovat nanostruktury v živých buňkách, například organely nebo proteinové komplexy, a lépe tak pochopit jejich funkci a chování.

Dosud se vědci při studiu těchto struktur museli spoléhat na elektronovou mikroskopii, která ale neumí pozorovat živé buňky. Díky Kvantové mikroskopii bychom se tak mohli podívat na život víc zblízka, než kdykoliv předtím. Šmírování toho, z čeho jsme, tak zdaleka není u svého konce!

[Svatopluk Skoupý]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je [email protected]