Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Dr Jagna Karcz prowadzi Laboratorium Skaningowej Mikroskopii Elektronowej (SEM-Lab), gdzie zajmuje się opracowaniem i zastosowaniem metod mikroskopii skaningowej w badaniach różnych obiektów biologicznych, w tym struktur powierzchniowych epidermy roślin podatnych na działanie czynników środowiska. Jest ponadto jednym z nielicznych w kraju specjalistów w zakresie karpologii, a także popularyzatorem nauki. Jest autorką wystawy „Świat malowany elektronami”, którą można oglądać w Śląskim Ogrodzie Botanicznym w Mikołowie od 22 kwietnia do 10 września 2018 roku.

Pani Doktor, na początek wyjaśnijmy naszym czytelnikom, co to jest skaningowa mikroskopia elektronowa? 

– Skaningowa mikroskopia elektronowa jest to rodzaj mikroskopii elektronowej, w której do badania struktury powierzchni materiału zamiast wiązki świetlnej wykorzystujemy wiązkę elektronów, a cały ten proces przebiega w warunkach próżni. Długość fali elektronów jest dużo mniejsza niż długość fali światła widzialnego, co zapewnia dużo lepszą rozdzielczość niż w mikroskopii świetlnej. Tego typu mikroskop służy do obserwacji i analizy różnych obiektów – materii organicznej i nieorganicznej. W wyniku interakcji wiązki elektronów z powierzchnią badanej próbki emitowana jest energia pod różnymi postaciami. Każdy rodzaj emitowanej energii jest rejestrowany za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie przetwarzany na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego. Tym obrazem jest właśnie fotografia mikroskopowa, a w przypadku fotografii skaningowej – określamy ją jako mikrofotografię. Oglądany obraz jest obrazem cyfrowym, w odcieniach szarości, powstałym w wyniku różnych technik rejestracji sygnałów emitowanych przez próbkę. Istotne jest to, że fotografia swoją treścią nawiązuje do prowadzonych badań naukowych, a spośród technik tworzenia obrazu nadal jest najbardziej obiektywna. 

Na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska UŚ funkcjonuje Laboratorium Skaningowej Mikroskopii Elektronowej. 

– Obecnie Laboratorium Skaningowej Mikroskopii Elektronowej wchodzi w skład Pracowni Technik Mikroskopowych Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska, a od 2017 roku również Wirtualnego Centrum Nanoskopii, które łączy różne zespoły badawcze z naszego uniwersytetu. W skład tych zespołów wchodzą naukowcy pracujący na wielu urządzeniach mikroskopowych i nanoskopowych wykorzystujący najnowocześniejszą aparaturę, która znajduje się w zasobach Uniwersytetu Śląskiego. Początki Laboratorium SEM sięgają lat 90. XX wieku, kiedy pracując w Katedrze Anatomii i Cytologii Roślin jako adiunkt, postanowiłam zająć się mikroskopią elektronową skaningową. Moja praca doktorska była pierwszą wykorzystującą zdjęcia i analizy przeprowadzone w mikroskopie skaningowym. W tym czasie Wydział nie dysponował elektronowym mikroskopem skaningowym, więc współpracowałam z kolegami z Politechniki Śląskiej w Katowicach. Później pracowałam na klasycznym analogowym skaningowym mikroskopie elektronowym Tesla BS 340, który, nawiasem mówiąc, do dzisiaj jest sprawny i nadal jest pomocny w badaniach naukowych. Dzięki mojej determinacji ten mikroskop został unowocześniony kilkanaście lat temu i obecnie umożliwia rejestrację obrazu w systemie cyfrowym. Od 2012 roku dysponujemy wysokiej klasy mikroskopem Hitachi SU 8010, wysokorozdzielczym z zimną emisją polową, komorą krio i spektrometrem rentgenowskim EDS, jednym z najnowocześniejszych mikroskopów tego typu w Polsce, który zakupiliśmy dzięki projektowi naukowemu w ramach Funduszu Nauki i Technologii Polskiej. 

Jakiego typu badania są prowadzone na tym sprzęcie? 

– Możemy analizować różne obiekty biologiczne, w tym tkanki roślinne i zwierzęce, bakterie, zarodniki i pyłki roślin, biomateriały, ale także polimery, materiał kopalny, ale przede wszystkim próbki środowiskowe pobierane w trakcie naszych naukowych wyjazdów w teren. Badany materiał musi być odpowiednio przygotowany, przede wszystkim musi być suchy i przewodzący, ponieważ w próżni mikroskopowej narażony jest na niszczące działanie wiązki elektronów. Do dyspozycji mamy zatem bogaty i przetestowany na różnym materiale organicznym zestaw procedur chemicznych – poprzez utrwalanie, odwadnianie, suszenie i napylanie możemy tak przygotować próbkę, aby zachować nienaruszoną strukturę analizowanego obiektu. Istotne jest, aby materiał biologiczny był przewodzący, stad wymagane jest napylenie próbki cienką warstwą metalu szlachetnego (np. złota). Oprócz tego nasz mikroskop jest wyposażony w system mrożący Cryo, w którym badaną próbkę można zamrozić w ciekłym azocie, a następnie obserwować jej nienaruszoną strukturę. Dodatkowo informację o strukturze powierzchni próbki uzupełnia możliwość mikroanalizy chemicznej badanego preparatu. Ponieważ mikroskop, który mamy do dyspozycji, jest wyposażony w spektrometr rentgenowski EDS, możemy równocześnie otrzymać obraz powierzchni danego obiektu, jak również zidentyfikować jego skład chemiczny. Laboratorium jest jednostką wydziałową, o charakterze naukowo-dydaktycznym, dostępną dla naukowców i studentów różnych specjalności, od botaników, anatomów, biochemików po ekologów, fizjologów i genetyków, umożliwiając tym samym realizację interdyscyplinarnych projektów naukowych. Ciekawym przykładem badań z wykorzystaniem techniki SEM jest analiza procesów degradacji powierzchni tworzyw sztucznych przez mikroorganizmy – tego typu badania prowadzone są w laboratorium we współpracy z Katedrą Biochemii. Mikrobiolodzy badają m.in. biofilm bakteryjny, zoolodzy analizują morfologię owadów w celach taksonomicznych, a botanicy penetrują teren pod kątem oddziaływań środowiskowych na populacje roślinne, np. analizują budowę roślin inwazyjnych w powiązaniu z badaniami molekularnymi. Oczywiście laboratorium współpracuje również z naukowcami z innych wydziałów naszego Uniwersytetu czy innych uczelni, możemy mówić o zasięgu europejskim, a nawet światowym w zakresie wymiany doświadczeń dotyczących metodyki i interpretacji obrazów oraz uczestnictwa w konferencjach naukowych z mikroskopii elektronowej. 

Większość z nas pamięta z czasów szkolnych, gdy podczas lekcji biologii oglądało się pod mikroskopem skórkę z cebuli czy inne preparaty. Szkolny mikroskop optyczny ma jednak raczej niewielkie możliwości powiększające. Jak głęboko w strukturę materii jesteśmy w stanie wejrzeć w przypadku mikroskopii elektronowej? 

– W mikroskopii elektronowej analizujemy strukturę komórek roślinnych i zwierzęcych w bardzo dużych powiększeniach. Obecnie powiększenia w najnowocześniejszych mikroskopach elektronowych transmisyjnych sięgają kilku milionów. Natomiast w mikroskopach elektronowych skaningowych – dzięki dużej głębi ostrości i bardzo dużej rozdzielczości w granicach 1 nm – możemy otrzymywać obrazy niemalże trójwymiarowe (trzeba dodać, że mamy do dyspozycji programy do obróbki fotograficznej, wzmacniające efekt trójwymiarowy struktury). Inną techniką obrazowania jest mikrotomografia komputerowa, która pozwala uzyskać bardzo precyzyjne, trójwymiarowe obrazy badanych obiektów wraz z ich strukturą wewnętrzną i nie wymaga specjalnego przygotowania preparatu. Obecnie powiększenia w mikroskopie skaningowym sięgają w przypadku naszego mikroskopu ok. miliona razy, ale są również mikroskopy z najwyższej półki technologicznej, w których powiększenia są znacznie większe. Do naszych badań te powiększenia są wystarczające, gdyż już przy powiększeniu rzędu 100 czy 200 tys. widzimy struktury w obrębie badanego obiektu w granicach kilkudziesięciu nanometrów. 

Ludzie przez stulecia zabiegali o to, aby spojrzeć jak najdalej w kosmos. Konstruowano coraz to doskonalsze teleskopy, a nawet wynoszono je na orbitę okołoziemską. Wszystko po to, aby zajrzeć dalej. Tymczasem dosłownie na wyciągniecie ręki mamy niezwykły i fascynujący mikroświat, którego możliwości dość długo nie były dostrzegane i doceniane. 

– Na co dzień funkcjonujemy w perspektywie makro, ale nasza planeta to miliardy mikroświatów. Dziś naukowcy dążą do tego, aby wejrzeć w te najbardziej subtelne struktury, czyli światy już nie mikro-, ale nano-, a nawet obserwować i analizować pojedyncze atomy materii i uzyskać, jeżeli to jest możliwe, odpowiedź na pytanie, jak one funkcjonują. Jak daleko możemy się posunąć w obserwacjach? Jak głęboko spojrzeć? To jest kwestia rozwoju techniki i technologii. Wszystko zależy od tego, jak bardzo zaawansowanymi technikami inżynierskimi i technologicznymi będziemy dysponować. Jestem głęboko przekonana, że nasze nanoświaty są w dalszym ciągu otwartą przestrzenią do poszukiwań i zgłębiania tajników natury. 

Jakie innego typu mikroskopy są stosowane przez naukowców do zgłębiania tych tajników? 

– Podstawową i najpowszechniejszą techniką mikroskopową w dalszym ciągu pozostaje mikroskopia świetlna i od niej wszystko się zaczęło. Pierwsze bardzo proste urządzenia mikroskopowe konstruowano już XVI wieku. Na przełomie XVII i XVIII wieku pojawiły się pierwsze mikroskopy świetlne. Współczesne mikroskopy to urządzenia o wysokim stopniu automatyzacji, zintegrowane z komputerem. Mikroskopia świetlna nie jest przeżytkiem, jest zawsze początkiem obserwacji – również w przypadku mikroskopii elektronowej. Pierwsze nasze czynności zaczynamy od mikroskopu świetlnego w celu wstępnej oceny materiału, a następnie po odpowiednim przygotowaniu rozpoczynamy obserwację w mikroskopie elektronowym. Naukowcy mają do dyspozycji różne mikroskopy świetlne, np. mikroskopy fluorescencyjne, których działanie oparte jest na zjawisku fluorescencji i fosforescencji. Nowatorskim rozwiązaniem w mikroskopii świetlnej są mikroskopy konfokalne, w których do skanowania próbki wykorzystana jest wiązka światła laserowego. Dzięki tej technice analitycznej możemy badać żywe lub chemicznie utrwalone preparaty biologiczne i tworzyć trójwymiarowe (3D) rekonstrukcje badanego obiektu. Innym typem mikroskopii są mikroskopy sond skanujących. To urządzenia, które do uzyskania obrazu powierzchni próbki wykorzystują sondę skanującą – przykładem może być mikroskop sił atomowych, który umożliwia uzyskanie trójwymiarowego obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu technik mikroskopowych osiągamy coraz większe powiększenia badanych obiektów i coraz lepszą trójwymiarową wizualizację struktury materii. 

Skąd wzięła się fascynacja mikroświatem i technikami mikroskopowymi? 

– Od dawna myślałam o tym, aby świat przyrody poprzez fotografię z naszych prac naukowych uczynić dostępnym dla przeciętnego odbiorcy. Fotografia nie tylko dokumentuje badania naukowe, ale może być również artystycznym spojrzeniem na naturę. Każde umieszczenie preparatu w mikroskopie skaningowym jest kolejną, nową wyprawą w nieznane mikroświaty. Nigdy nie wiemy, co odnajdziemy pod następnym powiększeniem. Właśnie owa tajemnica i ciągłe zaskoczenie sprawiają, że mikrofotografia jest dla mnie czymś wyjątkowym, niekończącą się przygodą. Tę fascynację mogłam już zrealizować w pracy doktorskiej, badając anatomię owoców wybranych gatunków z rodziny Valerianaceae, a następnie wyniki obserwacji przełożyć na dalsze badania związane z diagnostyką tych owoców, a także określaniem zależności filogenetycznych w obrębie rodziny. Mając do dyspozycji tak nowoczesny mikroskop skaningowy Hitachi, stale poszerzam wiedzę o naturze, odkrywam nowe piękno, tworząc i dokumentując je w postaci fotografii. 

Po latach fotografowania mikroświatów zebrało się na pewno mnóstwo zdjęć. Wiele z nich można podziwiać na wystawie w Śląskim Ogrodzie Botanicznym w Mikołowie. Jakie obrazy można obejrzeć na wystawie? 

– Wystawa powstała z inicjatywy Śląskiego Ogrodu Botanicznego. Dyrektor dr Paweł Kojs po rozmowie ze mną doszedł do wniosku, że warto zaprezentować w plenerze obrazy mikroświatów, które będą świetnie korespondowały z makronaturą. Komputerowego barwienia zdjęć w celu uwydatnienia interesujących szczegółów materii podjął się student Indywidualnych Studiów Międzyobszarowych Bartosz Baran. Proszę pamiętać, że oryginalne obrazy z mikroskopu elektronowego są czarno-białe z całą gamą szarości, a uzyskano je dzięki elektronom wtórnym emitowanym przez próbkę, w której kontrast związany jest z topografią próbki – partie wypukłe są jasne, a partie wklęsłe – ciemne. Mikrofotografie swoją treścią nawiązują do prowadzonych badań naukowych, jak również zajęć dydaktycznych na różnych kierunkach wywiad studiów: biologii, biotechnologii, ochronie środowiska. Tematyka obrazów jest bardzo różnorodna. Zobaczyć można powierzchnie naturalne, niezmodyfikowane różnych obiektów, czyli w takim stanie, w jakim faktycznie występują w środowisku, ale również struktury roślin i zwierząt, które powstały w wyniku oddziaływań środowiskowych (biotycznych i abiotycznych). Będziemy mogli zajrzeć w niezwykłą strukturę sieci pajęczych, które pokazują skomplikowaną konfigurację przestrzenną, a dodatkowo są świetnym materiałem do tworzenia matryc, na których możemy hodować różnego rodzaju komórki zwierzęce. Fotografie pokazują także proces degradacji powierzchni tworzyw sztucznych przez mikroorganizmy, szkielety organizmów występujących w zbiornikach wodnych i takim przykładem jest gąbka słodkowodna Spongilla lacustris ze zbiornika w Goczałkowicach badana przez interdyscyplinarny zespół badawczy z naszego wydziału pod kątem budowy szkieletu. Szkielety gąbek są ciekawym materiałem biomimetycznym, czyli służącym do kopiowania pewnych struktur biologicznych i przenoszenia ich na poziom technologiczny (współczesna architektura często bazuje na rozwiązaniach z natury). Staraliśmy się przygotować wystawę tak, aby była różnorodna i z jednej strony mogła zaprezentować, jak daleko możemy za pomocą mikroskopu wejść w głąb materii, a z drugiej strony pokazać, co jest na jej powierzchni. Chociaż na co dzień pracuję naukowo i prowadzę zajęcia dydaktyczne, to tą wystawą postanowiłam pokazać, że nauka może być inspiracją i tematem fotografii, a otaczający nas świat jest fascynujący i nieodgadniony. 

Rozmawiała Agnieszka Sikora

Wywiad ukazał się drukiem w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ [258 (8) maj 2018 ].