Bedste svar
Verdens stærkeste mikroskop, der ligger i et specielt konstrueret rum ved University of Victoria er nu fuldt samlet og testet og har en række forskere og virksomheder, der er ivrige efter at bruge det.
Det syv ton, 4,5 meter høje Scanning Transmission Electron Holography Microscope eller STEHM, det første sådan mikroskop af sin type i verden, kom til universitetet i dele sidste år.
Et team fra Hitachi, der konstruerede det ultrahøjopløste, ultrastabile instrument, brugte et år omhyggeligt på at samle STEHM i en omhyggeligt kontrolleret laboratorium i kælderen i Bob Wright Center.
STEHM vil blive brugt af lokale, regionale, nationale og internationale forskere og ingeniører til en overflod af forskningsprojekter, der er relevante for menneskehedens fremskridt. Guldatomer gennem mikroskopet med en opløsning på 35 picometre.
En picometre er en tr illionth af en meter. Denne opløsning er meget bedre end det tidligere bedste billede med 49 picometres opløsning taget ved Lawrence Berkley National Laboratory i Californien og er omkring 20 millioner gange menneskeligt syn.
STEHM giver forskere mulighed for at se atomerne i en måde aldrig før muligt. Det har fulde analytiske kapaciteter, der kan bestemme typerne og antallet eller elementerne til stede, og kameraer med høj opløsning til indsamling af data.
Det vil blive brugt af forskere fra mange videnskabelige og tekniske discipliner til projekter, der kræver viden om små atomskala strukturer eller nanovidenskab og nanoteknologi. Lokale forskere og virksomheder er også ivrige efter at bruge det.
New York Microscope Company , der fremstiller højopløsnings halvlederstrålingsdetektorer, der bruges til sådanne ting som nuklear kardiologi, CT-scanning, scanning af bagage og detektion af snavset bombe har ventet på, at STEHM skulle åbne for virksomhedens forskning og udvikling.
STEHM-mikroskopet understøttes af 9,2 millioner dollars i finansiering fra Canadas regering gennem Canadian Foundation for Innovation, BC Knowledge Development Fund og UVic, såvel som betydelig støtte i form af naturalier fra Hitachi.
Svar
De fleste atomer er 1 ~ 2 angstroms (Å) i diameter, som er 3 størrelsesordener under synlige lysbølgelængder. Hvis vi vil se, hvordan atomer ser ud, er vi nødt til at ty til nogle radikalt forskellige tilgange.
Scanning tunnelmikroskopi (STM)
STM er fir st enheder, der er i stand til at “se” atomerne direkte. STM bruger en ekstremt tynd nål til at undersøge prøven. Nålespidsen er et enkelt atom. Når spidsen og prøveoverfladen er mindre end et atom fra hinanden, kan elektroner tunnel gennem hullet. Fordi sandsynligheden for kvantetunnel falder eksponentielt med afstanden, er tunnelstrømmen meget følsom over for bredden af mellemrummet, hvilket kan afsløre detaljerne ned til enkelte atomer.
En begrænsning af STM er, at prøven skal være ledere. Som et resultat kan STM kun “se” metaller og andre ledende materialer, men ikke briller eller polymerer.
Atomic force microscopy (AFM)
En måde at løse problemet på er at bruge AFM. Ligesom STM bruger AFM også en nål til at sonde overfladen. På trods af sit smarte navn lyder dets mekanisme meget mere “trivielt”. I stedet for at måle tunnelstrømmene kommer AFM direkte i kontakt med overfladen og måler den lille frastødning mellem to atomer! Så i den forstand “så” AFM faktisk ikke atomerne, men “følte” dem som en blind mand og en elefant.
Fordi nålen ikke kan komme ind i det indre, både STM og AFM kan kun “se” atomerne på overfladen. For at se det indre har vi brug for noget, der kan trænge igennem prøverne med en bølgelængde, der kan sammenlignes med atomerne, såsom elektroner med høj energi eller fotoner (røntgenstråler).
Elektronmikroskopi (EM)
Faktisk kan vi se atomer via EM, forudsat at elektronen bjælker er af tilstrækkelig høj kvalitet (dvs. udsendelsen er lav), hvilket er muligt med fremkomsten af feltemissions elektronkanoner. Billedet ovenfor er et TEM-mikrograf af grafener.
Desværre, selvom TEM er et kraftfuldt værktøj, kan det ikke se 3D-strukturer af biomolekyler som proteiner. Årsagen er, at biomolekyler er meget mere skrøbelige end grafener (som er de hårdeste materialer i verden!), Hvilket gør dem let beskadigede af elektronerne med høj energi, før vi kan hente nok information ud.
Røntgenkrystallografi (XRD)
XRD er det første værktøj nogensinde, der gjorde det muligt for os at se proteinernes 3D-strukturer og forbliver den primære måde at bestemme strukturen på biomolekyler på. Diffraktion af røntgenstråler med krystaller har længe været bemærket af forskere i det tidlige 20. århundrede. Årsagen er, at røntgenstråler er spredt svagt af elektroner i atomerne. Da bølgelængden af røntgenstråler (~ 1 Å) er sammenlignelig med atomer, fungerer det periodiske arrangement af atomer i krystaller som et Diffraktionsgitter , hvilket i høj grad forstærket genoptagelsen i visse retninger ( Braggs lov ). Ved at analysere diffraktionsmønstrene kan vi rekonstruere elektronen tæthedskort og dermed krystalstrukturerne.
Selvom Braggs lov blev opdaget i 1910erne, det tog næsten et halvt århundrede at løse den første proteinstruktur på grund af den dårlige beregningskraft på det tidspunkt, som kun var tilstrækkelig til at løse strukturer så enkle som bordsaltet. For at løse proteinstrukturer er vi nødt til at gøre dem til krystaller ved at arrangere milliarder af kopier i periodiske strukturer, et trin betegnet “ krystallisering “. Ligesom elektronstråler beskadiges proteiner stærkt af røntgenstråler. Som et resultat teinkrystaller afkøles til kryogen temperatur, hvilket gør dem meget “hårdere” (tusind gange), og den gennemsnitlige strålingseffekt, som hvert protein modtager, holdes på et meget lavt niveau. Hvis krystallerne er tilstrækkeligt store, kan de stadig give anledning til et stærkt diffraktionsmønster. At finde de egnede betingelser for krystallisering er ikke en triviel opgave, og krystallisering af store, komplekse eller transmembrane proteiner er stadig en udfordring til dato.
Elektronkryomikroskopi (Cryo -EM)
Cryo-EM er et lovende værktøj inden for strukturbiologi, da det ikke kræver hastighedsbegrænsende krystalliseringstrin, som giver potentialet til at løse de mest ildfaste proteiner. Ligesom XRD undgår Cryo-EM strålingsskader ved kryogen køling og sænkning af dosis. Proteinerne suspenderes i en tynd film med vand, der hurtigt dyppes i flydende etan afkølet af flydende nitrogen. Fordi frysningen er så hurtig, dannes der ikke engang iskrystaller. I stedet er proteinerne og vandmolekylerne bogstaveligt ”fryserammede”. Fordi proteinerne fremstilles som suspensioner i stedet for krystaller, kan de vedtage en naturlig konfiguration i stedet for en stiv form i krystaller.
Hvert protein afbildes af meget lav dosis elektroner. Da doseringen er lav, opnås kun slørede skygger. Men ved at beregne et gennemsnit af adskillige billeder (med “talrige” mener jeg en million) ved hjælp af computeralgoritmer kan vi forfine billedet til atomopløsning. Fordi proteiner er tilfældigt orienteret i suspensioner, er der behov for sofistikerede algoritmer for at tilpasse disse billeder igen. Imidlertid er billederne af mindre proteiner for små til at justere, hvilket lægger en nedre grænse (~ 200 kDa) på størrelsen af proteiner, der løses af Cryo-EM.
For mere information, se En nobel for Cryo-EM
En anden nye teknik er Røntgenfri elektronlaser (XFEL) . XFEL genererer ekstremt kraftige røntgenstråler ti størrelsesordener lysere end nogen røntgenlyskilder, der varer helt ned til femtosekund. Fordi røntgenimpulser er ekstremt korte, kan de fange proteinstrukturerne, før de flyver fra hinanden (såkaldt “diffraktion før ødelæggelse”). En sådan tilgang har potentialet til at løse proteinstrukturer ved stuetemperatur i deres aktive tilstande ved anvendelse af meget små krystaller eller endda uden krystaller. Imidlertid er der brug for en hel masse forskning for at realisere dets fulde potentiale.
Det skal bemærkes, at selvom begge røntgenbilleder og elektronstråler kan løse de atomare strukturer, der er en subtil forskel https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Fordi røntgenstråler er fotoner, der interagerer direkte med elektriske ladninger (husk, fotoner er bærere af elektromagnetisk kraft), er røntgenstråler, der afsløres, bona fide elektrontæthed kort (fordi elektroner er meget lettere end atomkerner). Elektroner OTOH er ladede partikler, der interagerer med atomer indirekte via elektriske felter. Som et resultat afspejler Cryo-EM faktisk fordelingen af elektrisk potentiale i stedet for elektronskyer (som desværre er betegnet som “densitetskort”). En af konsekvenserne er, at atomer og ioner er næsten identiske under røntgenstråler på grund af deres lignende størrelser og elektrondensiteter, men radikalt forskellige under elektronmikroskoper, fordi ioner oplades, mens atomer ikke er.For eksempel er protonerede carboxylgrupper (—COOH) identiske med deprotonerede carboxyler (—COO-) i XRD, fordi hydrogenionen er usynlig under røntgenstråler. Men fordi deprotonerede carboxyler bærer en negativ ladning, skelnes de let fra protonerede under elektronmikroskoper. Som et resultat har Cryo-EM potentialet til at afsløre nogle detaljer, der er usynlige for røntgenstråler.