Politechnika Wrocławska będzie miała pierwszą na świecie pracownię z prototypowym narzędziem do obserwacji elektronowych indukowanych światłem. Wyjątkowe stanowisko LightTEM umożliwi prowadzenie zaawansowanych badań związanych m.in. z rozwojem terapii fotodynamicznej czy fotokatalizą.

Pracownia z urządzeniem LightTEM powstanie na Wydziale Chemicznym – dzięki finansowaniu z Ministerstwa Edukacji i Nauki oraz środków wydziału. Na zakup narzędzia resort przyznał nam prawie 4 mln zł*.

– Takie stanowisko nie jest dostępne komercyjnie – podkreśla prof. Katarzyna Matczyszyn z Wydziału Chemicznego. – Powstanie we współpracy z wiodącym producentem mikroskopów elektronowych i będzie odpowiadało na bardzo konkretne wymagania badań, jakie zamierzamy prowadzić na naszym wydziale. Dzięki temu stworzymy pierwszą na świecie pracownię in situ TEM indukowanego światłem.

Badania pod mikroskopem na żywo

Na świecie działa tylko kilka ośrodków naukowych specjalizujących się w badaniach mikroskopii dynamicznej z wykorzystaniem oddziaływania światłem (przede wszystkim w Japonii oraz USA, Chinach i Danii). To kategoria eksperymentów, które naukowcy prowadzą, obserwując ich przebieg na żywo dzięki specjalnie zmodyfikowanym urządzeniom TEM.

Takie badania od kilku lat realizujemy także na PWr (m.in. we współpracy z Instytutem Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN we Wrocławiu, a także z Uniwersytetem Gdańskim). Do tej pory jednak nasi naukowcy prowadzili je na niskorozdzielczym urządzeniu (należącym do Wydziału Mechanicznego), odpowiednio przebudowanym do tego rodzaju eksperymentów przez dr. Żaka i Jakuba Grzędę, asystenta z Katedry Inżynierii Elementów Lekkich, Odlewnictwa i Automatyki. Ograniczenia tego narzędzia wpływały jednak na same badania.

– Na dotychczasowym urządzeniu uderzaliśmy w niewielką próbkę, np. bakterii, szkodliwą dla organizmów żywych wiązką elektronów o ogromnej energii. To konieczne, bo jest ona dla nas niezbędnym medium obrazowym. Dawkę promieniowania, która trafiała do tej próbki, można jednak porównać do tego, gdybyśmy sami wzięli do ręki ogniwo paliwowe w reaktorze jądrowym. To oznaczało śmierć organizmu w ciągu najdłużej kilku sekund – opowiada obrazowo dr inż. Andrzej Żak z Wydziału Chemicznego. – Nowy układ będzie wyposażony m.in. w precyzyjne systemy do kontroli wiązki elektronów oraz czulszy system detekcji, co pozwoli nam na użycie mniejszej wiązki energii i prowadzenie naszych obserwacji dłużej. Teraz więc nasze analizy wpływu światła na daną próbkę będą trwały nie kilka sekund, ale nawet i kilka minut.

Jakie analizy można prowadzić w takim urządzeniu

Analiza procesów indukowanych światłem otwiera naukowcom z PWr szerokie pole do badania materiałów fotokatalitycznych, plazmonicznych i każdych innych, które zmieniają swoją strukturę pod wpływem światła o różnych długościach fali.

–  W dotychczasowych eksperymentach, opracowywanych przez prof. Katarzynę Matczyszyn z jej zespołem, skupialiśmy się na problematyce terapii fotodynamicznej. W tej metodzie leczenia zazwyczaj nieszkodliwa substancja pod wpływem światła wytwarza reaktywne formy tlenu, które niszczą np. antybiotykooporne bakterie. Naukowcy na całym świecie do tej pory wiedzieli, że taki proces zachodzi, ale nikt nie potrafił wyjaśnić strukturalnie mechanizmu niszczenia drobnoustrojów – opowiada dr Żak. – Opublikowane przez nas mikrofotografie pozwoliły na zaobserwowanie procesów zachodzących w tym zjawisku na niedostępnej dotychczas skali.

Wyniki tych badań naukowcy opublikowali w cenionych czasopismach naukowych Photodiagnosis and Photodynamic Therapy oraz Ultramicroscopy.

Nowe urządzenie pozwoli na rozwinięcie badań obrazowania wpływu światła na substancje antydrobnoustrojowe, a w konsekwencji  na rozwój nie tylko metod terapii fotodynamicznej, ale także ultrastrukturalne badanie metod zwalczania wirusów, w tym koronawirusów. Tym bardziej, że z układu będą mogły korzystać różne grupy badawcze, które już prowadzą analizy z tego obszaru.

Dr Żak podkreśla, że mikroskopia dynamiczna in situ TEM w świecie naukowym jest oceniana jako metoda o najwyższych możliwościach i potencjale. Każdego roku publikowane są dziesiątki prac z jej udziałem, jednak zdecydowana większość z nich opiera się o bardziej ugruntowane metody oddziaływania na próbkę - zmiany temperatury preparatu, oddziaływania elektrycznego, mechanicznego lub badań próbek ciekłych.

Naukowcy z Wydziału Chemicznego są przekonani, że wykorzystanie jeszcze bardziej złożonych i innowacyjnych metod przyniesie nowe osiągnięcia naukowe, prowadzone w ramach licznych grantów i potwierdzane publikacjami w czasopismach o wysokiej randze.

- Liczymy też, że LightTEM otworzy nam drogę do nowych prac podstawowych i aplikacyjnych, od charakteryzacji i obserwacji nowych grup fotoczułych materiałów, aż po wdrażanie prototypowych konstrukcji akcesoriów do mikroskopii elektronowej, bo samo urządzenie będzie prototypem, który powstanie w ścisłej współpracy z producentami. Przy okazji chcemy stworzyć bazę do swobodnego wykorzystania na PWr technik TEM z zakresu wielu dyscyplin – dodaje prof. Piotr Młynarz, dziekan Wydziału Chemicznego.

Profesor podkreśla też: - Nie chcemy tworzyć kolejnej, podstawowej pracowni mikroskopii elektronowej, a skupić się na rozwoju technik o najwyższym stopniu trudności. Jako ośrodek naukowy prowadzimy już wiele badań o międzynarodowej randze, a ta nowa inwestycja pozwoli nam jeszcze zwiększyć ich skalę.

*Finansowanie pochodzi ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki na realizację inwestycji związanych z kształceniem oraz działalnością naukową.

Lucyna Róg