Mischa Brendel
Een gedetailleerd driedimensionaal beeld maken van een biologisch preparaat; het is de grote wens van menig bioloog en medicus. In theorie is dit mogelijk met een Scanning Electron Microscope (SEM), maar daar heb je dan wel maanden tot wel jaren geduld voor nodig. En dat is iets wat de eigenaren van deze zeer kostbare microscopen vaak niet hebben. Een oplossing biedt de FAST-EM van Technolution, Delmic, Thermo Fisher en de TU Delft.
Om de kleinste details van een microscopisch preparaat met biologisch materiaal in kaart te kunnen brengen, maakt de wetenschapsgemeenschap dankbaar gebruik van de SEM. Nee, dit zijn niet de kleine apparaten waarbij je voorovergebogen door een oculair kijkt; dit zijn flinke machines die soms tot aan het plafond reiken, al heb je tegenwoordig ook ‘tafelmodellen’.
Gezien de wijze waarop een SEM werkt, is de omvang goed te verklaren, legt Marc van Eert, applied scientist bij Technolution uit. ‘In de basis werkt het relatief simpel. Elektronen ontsnappen van een soort T-vormig gloeidraadje en worden in een vacuümbuis door elektromagnetische velden uitgelijnd en versneld.’ Op deze manier worden de elektronen in een bundel op een preparaat ‘afgevuurd’.
Van Eert: ‘Wanneer de elektronenbundel het preparaat raakt, komt er een lawine aan elektronen vrij. Die kun je zichtbaar maken met een fluorescentieplaat.’ Op datzelfde moment kun je met een snelle camera een beeld maken van deze zichtbaar gemaakte ‘elektronenwolk’ en zo stukje bij beetje op nanometerschaal het preparaat driedimensionaal in kaart brengen. Ter vergelijking: waar een ‘gewone’ optische microscoop het gezien houdt bij een resolutie van circa 400 µm (400*10‑6 m), gaat een SEM tot een resolutie van zo’n 4 nm (4*10-9 m).
Het is een techniek waar biologen en medische wetenschappers dankbaar gebruik van maken, maar het is een tijdrovend werkje. Allereerst moet je het weefsel waar je een 3D-beeld van wilt maken met een diamanten mes in plakjes snijden van zo’n 30 tot 150 nm dikte. Vervolgens maak je van elk plakje een afzonderlijk preparaat en deze moet je stuk voor stuk onder de SEM leggen om de preparaten pixel voor pixel te scannen. Zo’n klus zou al vlug maanden, of zelfs jaren in beslag nemen. Gezien de hoge kostprijs van SEMs staan wetenschappelijke instellingen niet te springen om hun elektronenmicroscoop daarvoor in te zetten.
De oplossing kwam van een consortium van Technolution met Delmic, Thermo Fisher en de TU Delft, dat een SEM ontwikkelde met niet één, maar met maar liefst 64 elektronenbundels. Met meer bundels kun je een preparaat een stuk sneller in kaart brengen. Maar uiteraard ligt het nét iets ingewikkelder dan dat. Je kunt niet zomaar 64 elektronenbundels op een preparaat af laten vuren. Van Eert: ‘Dan zou je 64 elektronenversnellers moeten bouwen en 64 bundels afzonderlijk moeten bedienen. Dat wordt extreem moeilijk.’
De oplossing ligt in een hoek waar de TU Delft in een NWO-project al onderzoek naar deed: je splitst één grote elektronenbundel in 64 afzonderlijke, parallel lopende bundels. Hierdoor heb je slechts één elektronenversneller nodig, net zoals bij de gangbare SEMs. Het gescheiden houden van die afzonderlijke bundels met behulp van elektromagnetische velden blijft een ingewikkeld proces, vertelt Van Eert. ‘De elektronenbundels zitten in het vacuüm in de buis dicht bij elkaar en de bundeldeeltjes stoten elkaar af. Dat moet je onder controle houden. En hoe meer bundels je naast elkaar plaatst, hoe meer je moet doen om te voorkomen dat je grid vervormt.’ Zo noemen de bouwers van de FAST-EM – zoals ze hun nieuwe SEM hebben gedoopt – hun verzameling elektronenbundels: een grid. Want wat de meerdere bundels in feite samen doen, is het oppervlak van het preparaat dat je tegelijk met elektronen bestookt, veel groter maken. Door grotere stukken in kaart te brengen kan je uiteindelijk tot zo’n honderd keer sneller een preparaat volledig in beeld brengen. En dáár ligt de grote winst voor gebruikers.
Van Eert: ‘Normaal gesproken, als je een systeem verbetert, pak je één module aan. Maar om uit te breiden van één naar meerdere bundels moet je met meerdere modules, dus meerdere expertises aan de slag. Daarom ligt het voor de hand dit in een consortium te doen, waarin iedereen zijn eigen expertise heeft. Die van Technolution ligt bij de snelle elektronica die nodig is voor detectie van de teruggekaatste en door het preparaat gecreëerde elektronen en bij het datatransport.
‘Een SEM produceert enorme hoeveelheden aan data en onze FAST-EM nog meer. We hebben het over petabytes aan data die worden opgeslagen. Er zit aan deze microscoop dan ook een 10 Gbit-datalink.’
Wat de microscoop in feite doet, is het preparaat in losse stukjes ‘lezen’. Elke elektronenbundel scant een rechthoekig stukje van het preparaat en deze stukjes moeten aan elkaar worden geplakt. Maar omdat de elektronenbundels door een magnetische lens worden geleid, sluiten deze afzonderlijke stukjes niet naadloos op elkaar aan. Om ervoor te zorgen dat er toch één afbeelding kan worden gemaakt, moeten de stukjes een paar pixels met elkaar overlappen. Door middel van kalibratie wordt bepaald waar de scans van de afzonderlijke bundels precies aan elkaar grenzen.
Momenteel zijn het vooral academische instellingen die interesse in de FAST-EM tonen. Maar Van Eert verwacht dat wanneer deze instellingen over het gebruik van de microscoop publiceren, er ook interesse vanuit andere hoeken zal komen.
Van Eert denkt ook al na over vervolgstappen. ‘Nu moeten de preparaten helemaal klaargemaakt worden en manueel in de microscoop worden gelegd. Zou dat ook automatisch kunnen?’ Als je dat voor elkaar krijgt, stelt Van Eert, dan kun je centra opzetten met FAST-EMs, die je als wetenschapper aan kan doen om 3D-scans van preparaten te bestellen. Een beetje vergelijkbaar met de kopieerwinkels van vroeger. Een 3D-scan van een biologisch preparaat over night.
Zo ver is het echter nog niet, al denkt Van Eert wel dat de FAST-EM een disruptor wordt in de markt van de elektronenmicroscopen.
