Nejlepší odpověď
Nejvýkonnější mikroskop na světě, který se nachází ve speciálně konstruované místnosti na University of Victoria, nyní byla kompletně sestavena a otestována, a má řadu vědců a podniků, kteří ji chtějí použít.
Sedmunový, 4,5 metru vysoký skenovací transmisní elektronový holografický mikroskop nebo STEHM, první takový mikroskop svého typu na světě, přišel na univerzitu po částech v loňském roce.
Tým Hitachi, který zkonstruoval ultrastabilní nástroj s ultravysokým rozlišením, strávil jeden rok pečlivým sestavováním STEHM v pečlivě kontrolovaná laboratoř v suterénu Centra Boba Wrighta.
STEHM bude využíván místními, regionálními, národními a mezinárodními vědci a inženýry pro celou řadu výzkumných projektů souvisejících s rozvojem lidstva. Atomy zlata prostřednictvím mikroskop v rozlišení 35 pikometrů.
Jeden pikometr je tr iluze metru. Toto rozlišení je mnohem lepší než předchozí nejlepší snímek s 49 pikometrovým rozlišením pořízeným v Lawrence Berkley National Laboratory v Kalifornii a je asi 20 milionůkrát lidským zrakem.
STEHM umožňuje vědcům vidět atomy v způsobem, který nikdy předtím nebyl možný. Má plné analytické schopnosti, které dokážou určit typy a počet nebo přítomné prvky, a kamery s vysokým rozlišením pro sběr dat.
Bude využíváno výzkumníky mnoha vědních a technických oborů pro projekty vyžadující znalost malých struktury atomového měřítka nebo nanovědy a nanotechnologie. Místní vědci a podniky se také těší na jeho použití.
New York Microscope Company , která vyrábí detektory polovodičového záření s vysokým rozlišením, které se pro tyto účely používají věci jako jaderná kardiologie, CT skenování, skenování zavazadel a detekce špinavých bomb čekají na otevření STEHM pro výzkum a vývoj společnosti.
Mikroskop STEHM je podporován 9,2 miliony dolarů z financování vláda Kanady prostřednictvím Kanadské nadace pro inovace, BC Knowledge Development Fund a UVic, stejně jako významná věcná podpora od Hitachi.
Odpověď
Většina atomů je 1 ~ 2 angstromy (Å) v průměru, což je 3 řády pod vlnovými délkami viditelného světla. Pokud chceme vidět, jak atomy vypadají, musíme se uchýlit k některým radikálně odlišným přístupům.
Skenovací tunelovací mikroskopie (STM)
STM jsou jedlí První zařízení, která jsou schopna „vidět“ atomy přímo. STM používá k testování vzorku extrémně tenkou jehlu. Špička jehly je jeden atom. Když je hrot a povrch vzorku od sebe vzdálený méně než atom, elektrony mohou tunelem projít mezerou. Protože pravděpodobnost kvantového tunelování exponenciálně klesá se vzdáleností, je tunelovací proud velmi citlivý na šířku mezery, což může odhalit podrobnosti až k jednotlivým atomům.
Jedním omezením STM je, že vzorek musí to být vodiče. Výsledkem je, že STM může „vidět“ pouze kovy a jiné vodivé materiály, ale ne brýle nebo polymery.
Mikroskopie atomové síly (AFM)
Jedním ze způsobů, jak problém vyřešit, je použití AFM. Stejně jako STM, AFM také používá jehlu ke sondování povrchu. Navzdory svému fantazijnímu názvu zní jeho mechanismus mnohem „triviálněji“. Místo měření tunelovacích proudů AFM navazuje přímý kontakt s povrchem a měří nepatrný odpor mezi dvěma atomy! V tomto smyslu tedy AFM ve skutečnosti „neviděla“ atomy, ale „cítila“ je jako slepce a slona.
Protože se jehla nemůže dostat dovnitř, STM i AFM může „vidět“ pouze atomy na povrchu. Abychom viděli vnitřek, potřebujeme něco, co může proniknout do vzorků s vlnovou délkou srovnatelnou s atomy, jako jsou vysokoenergetické elektrony nebo fotony (rentgenové paprsky).
Elektronová mikroskopie (EM)
Ve skutečnosti můžeme vidět atomy přes EM za předpokladu, že elektron paprsky jsou dostatečně vysoké kvality (tj. emitance je nízká), což je možné s příchodem elektronových děl s emisemi pole. Na obrázku nahoře je mikrofotografie grafenů TEM.
Bohužel, i když je TEM mocným nástrojem, nevidí 3D struktury biomolekul, jako jsou proteiny. Důvodem je, že biomolekuly jsou mnohem křehčí než grafeny (které jsou nejtvrdšími materiály na světě!), Což je činí snadno poškozitelnými elektrony s vysokou energií, než získáme dostatek informací.
Rentgenová krystalografie (XRD)
XRD je vůbec první nástroj, který nám umožnil vidět 3D struktury proteinů a zůstává primárním způsobem stanovení struktury biomolekul. Difrakci rentgenových paprsků krystaly si badatelé již dlouho všimli na počátku 20. století. Důvodem je to, že rentgenové paprsky jsou slabě rozptýleny elektrony v atomech. Protože je však vlnová délka rentgenových paprsků (~ 1 Å) srovnatelná s atomy, periodické uspořádání atomů v krystalech funguje jako difrakční mřížka , která značně rozšířil reemisi v určitých směrech ( Braggův zákon ). Analýzou difrakčních vzorů můžeme rekonstruovat elektron mapy hustoty , a tedy krystalové struktury.
Ačkoli Braggův zákon byl objeven v 10. letech 20. století, trvalo téměř půl století, než se vyřešila první proteinová struktura kvůli v té době špatné výpočetní síle, která byla dostatečná pouze k řešení struktur tak jednoduchých jako stolní sůl. Abychom vyřešili proteinové struktury, musíme je uspořádat do krystalů uspořádáním miliardy kopií do periodických struktur, krok označovaný jako „ krystalizace „. Stejně jako elektronové paprsky, i proteiny jsou rentgenovými paprsky silně poškozeny. Výsledkem je, že krystaly teinu jsou ochlazeny na kryogenní teplotu, což je činí mnohem „tvrdšími“ (tisíckrát) a průměrná radiační síla přijímaná každým proteinem je udržována na velmi nízké úrovni. Pokud jsou krystaly dostatečně velké, mohou stále vést k silnému difrakčnímu vzoru. Nalezení vhodných podmínek pro krystalizaci není triviální úkol a krystalizace velkých, komplexních nebo transmembránových proteinů zůstává výzvou dodnes.
Elektronová kryomikroskopie (Cryo -EM)
Cryo-EM je slibný nástroj ve strukturní biologii, protože nevyžaduje stupeň krystalizace omezující rychlost, který poskytuje potenciál k řešení nejodolnějších proteinů. Stejně jako XRD se Cryo-EM vyhýbá poškozením záření kryogenním chlazením a snížením dávky. Proteiny jsou suspendovány v tenkém filmu vody, který se rychle ponoří do kapalného etanu chlazeného kapalným dusíkem. Protože zmrazení je tak rychlé, ledové krystaly se ani netvoří. Místo toho jsou proteiny a molekuly vody doslova „zmrazené“. Protože jsou proteiny připravovány jako suspenze místo krystalů, mohou místo krystalického tvaru převzít nativní konfiguraci namísto tuhého tvaru.
Každý protein je zobrazován velmi nízkou dávkou elektronů. Protože je dávka nízká, získají se pouze rozmazané stíny. Avšak zprůměrováním mnoha obrazů (výrazem „početný“ myslím milión) pomocí počítačových algoritmů můžeme obraz vylepšit na atomové rozlišení. Vzhledem k tomu, že proteiny jsou náhodně orientovány v suspenzích, je pro jejich zarovnání zapotřebí sofistikované algoritmy. Snímky menších proteinů jsou však příliš malé na to, aby se znovu zarovnaly, což vede k dolní hranici (~ 200 kDa) velikostí proteinů, které řeší Cryo-EM.
Další informace najdete v části Nobel for Cryo-EM
Další objevující se technikou je rentgenový laser bez elektronů (XFEL) . XFEL generuje extrémně silné rentgenové paprsky o deset řádů jasnější než jakékoli rentgenové světelné zdroje s dobou trvání až do femtosekundy. Protože jsou rentgenové pulsy extrémně krátké, mohou zachytit proteinové struktury dříve, než odletí (tzv. „Difrakce před destrukcí“). Takový přístup má potenciál řešit proteinové struktury při pokojové teplotě v jejich aktivních stavech pomocí velmi malých krystalů nebo dokonce bez krystalů. K využití plného potenciálu je však zapotřebí celá řada výzkumů.
Je třeba poznamenat, že ačkoli oba rentgenové paprsky a elektronové paprsky mohou vyřešit atomové struktury, existuje jemný rozdíl https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Protože rentgenové záření jsou fotony, které interagují přímo s elektrickými náboji (pamatujte, že fotony jsou nositeli elektromagnetické síly), takže odhalené rentgenové paprsky jsou bona fide elektronová hustota mapy (protože elektrony jsou mnohem lehčí než atomová jádra). Elektrony OTOH jsou nabité částice, které interagují s atomy nepřímo prostřednictvím elektrických polí. Výsledkem je, že Cryo-EM ve skutečnosti odráží distribuci elektrického potenciálu místo elektronových mraků (což se bohužel nazývá „mapy hustoty“). Jedním z důsledků je, že atomy a ionty jsou pod rentgenovými paprsky téměř identické kvůli jejich podobné velikosti a hustotě elektronů, ale radikálně odlišné pod elektronovými mikroskopy, protože ionty jsou nabité, zatímco atomy nejsou.Například protonované karboxylové skupiny (—COOH) jsou v XRD identické s deprotonovanými karboxylovými skupinami (—COO-), protože vodíkový iont je pod rentgenovými paprsky neviditelný. Protože však deprotonované karboxylové skupiny nesou negativní náboj, lze je snadno odlišit od protonovaných pod elektronovými mikroskopy. Výsledkem je, že Cryo-EM má potenciál odhalit některé detaily neviditelné pro rentgenové záření.