La mejor respuesta
El microscopio más poderoso del mundo, que reside en una habitación especialmente construida en la Universidad de Victoria, ahora ha sido completamente ensamblado y probado, y tiene una línea de científicos y empresas ansiosas por usarlo.
El microscopio de holografía electrónica de transmisión de barrido de siete toneladas y 4.5 metros de altura o STEHM, el primer microscopio de este tipo de este tipo en el mundo, llegó a la universidad en partes el año pasado.
Un equipo de Hitachi, que construyó el instrumento ultraestable y de ultra alta resolución, pasó un año ensamblando minuciosamente el STEHM en un laboratorio controlado en el sótano del Centro Bob Wright.
El STEHM será utilizado por científicos e ingenieros locales, regionales, nacionales e internacionales para una plétora de proyectos de investigación relevantes para el avance de la humanidad. Átomos de oro a través de el microscopio a una resolución de 35 picómetros.
Un picómetro es un tr milonésima de metro. Esta resolución es mucho mejor que la mejor imagen anterior con una resolución de 49 picómetros tomada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkley en California, y es aproximadamente 20 millones de veces la vista humana.
El STEHM permite a los investigadores ver los átomos en un manera nunca antes posible. Tiene capacidades analíticas completas que pueden determinar los tipos y el número de elementos presentes, y cámaras de alta resolución para recolectar datos.
Será utilizado por investigadores de muchas disciplinas de ciencia e ingeniería para proyectos que requieran conocimientos de pequeños estructuras a escala atómica o nanociencia y nanotecnología. Los científicos y las empresas locales también están ansiosos por usarlo.
New York Microscope Company que fabrica detectores de radiación semiconductores de alta resolución que se utilizan para tal cosas como cardiología nuclear, tomografía computarizada, escaneo de equipaje y detección de bombas sucias, ha estado esperando que el STEHM se abra para la investigación y el desarrollo de la compañía.
El microscopio STEHM cuenta con el apoyo de $ 9.2 millones en fondos de el gobierno de Canadá a través de la Fundación Canadiense para la Innovación, el Fondo de Desarrollo del Conocimiento de BC y UVic, así como el apoyo significativo en especie de Hitachi.
Respuesta
La mayoría de los átomos son 1 ~ 2 angstroms (Å) de diámetro, que es 3 órdenes de magnitud por debajo de las longitudes de onda de las luces visibles. Si queremos ver cómo se ven los átomos, debemos recurrir a enfoques radicalmente diferentes.
Microscopía de túnel de barrido (STM)
STM son los primeros st dispositivos que pueden «ver» los átomos directamente. STM utilice una aguja extremadamente fina para sondear la muestra. La punta de la aguja es un solo átomo. Cuando la punta y la superficie de la muestra están a menos de un átomo de distancia, los electrones pueden hacer un túnel a través del espacio. Debido a que la probabilidad de tunelización cuántica cae exponencialmente con la distancia, la corriente de tunelización es muy sensible al ancho de la brecha, lo que puede revelar los detalles hasta átomos individuales.
Una limitación de STM es que la muestra deben ser conductores. Como resultado, STM solo puede «ver» metales y otros materiales conductores, pero no vidrios o polímeros.
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
Una forma de solucionar el problema es utilizando AFM. Como STM, AFM también usa una aguja para sondear la superficie. A pesar de su nombre elegante, su mecanismo suena mucho más “trivial”. En lugar de medir las corrientes de túnel, AFM hace un contacto directo con la superficie y mide la pequeña repulsión entre dos átomos. Entonces, en ese sentido, AFM en realidad no «vio» los átomos, sino que los «sintió» como un ciego y un elefante.
Debido a que la aguja no puede ingresar al interior, tanto STM como AFM sólo puede «ver» los átomos en la superficie. Para ver el interior necesitamos algo que pueda penetrar las muestras, con una longitud de onda comparable a la de los átomos, como electrones o fotones de alta energía (rayos X).
Microscopía electrónica (EM)
En realidad, podemos ver átomos a través de EM, siempre que el electrón los haces son de calidad suficientemente alta (es decir, la emitancia es baja), lo que es posible con la llegada de los cañones de electrones de emisión de campo. La imagen de arriba es una micrografía TEM de grafenos.
Desafortunadamente, aunque TEM es una herramienta poderosa, no puede ver las estructuras 3D de biomoléculas como proteínas. La razón es que las biomoléculas son mucho más frágiles que los grafenos (¡que son los materiales más duros del mundo!), Lo que las daña fácilmente por los electrones de alta energía antes de que podamos extraer suficiente información.
Cristalografía de rayos X (XRD)
XRD es la primera herramienta que nos permitió ver las estructuras tridimensionales de las proteínas y sigue siendo la forma principal de determinación de la estructura de las biomoléculas. La difracción de rayos X por cristales ha sido notada por los investigadores a principios del siglo XX. La razón es que los electrones en los átomos dispersan débilmente los rayos X. Sin embargo, debido a que la longitud de onda de los rayos X (~ 1 Å) es comparable a la de los átomos, la disposición periódica de los átomos en los cristales actúa como una rejilla de difracción , que en gran medida aumentó la reemisión en ciertas direcciones ( ley de Bragg ). Al analizar los patrones de difracción, podemos reconstruir el electrón mapas de densidad y, por tanto, las estructuras cristalinas.
Aunque la ley de Bragg se descubrió en la década de 1910, Tomó casi medio siglo resolver la primera estructura de proteínas debido a la escasa potencia computacional en ese momento, que solo era suficiente para resolver estructuras tan simples como la sal de mesa. Para resolver las estructuras de proteínas, necesitamos convertirlas en cristales organizando miles de millones de copias en estructuras periódicas, un paso denominado “ cristalización ”. Al igual que los haces de electrones, las proteínas son fuertemente dañadas por los rayos X. Como resultado, el pro Los cristales de teína se enfrían a temperatura criogénica, lo que los hace mucho más “duros” (mil veces), y la potencia de radiación promedio recibida por cada proteína se mantiene a un nivel muy bajo. Si los cristales son lo suficientemente grandes, aún pueden dar lugar a un patrón de difracción fuerte. Encontrar las condiciones adecuadas para la cristalización no es una tarea trivial, y la cristalización de proteínas grandes, complejas o transmembrana sigue siendo un desafío hasta la fecha.
Criomicroscopía electrónica (Cryo -EM)
Cryo-EM es una herramienta prometedora en biología estructural, ya que no requiere etapa de cristalización limitante de la velocidad, que confiere el potencial para resolver las proteínas más refractarias. Al igual que XRD, Cryo-EM evita los daños por radiación mediante el enfriamiento criogénico y la reducción de la dosis. Las proteínas se suspenden en una fina película de agua, que se sumerge rápidamente en etano líquido enfriado por nitrógeno líquido. Debido a que la congelación es tan rápida, los cristales de hielo ni siquiera se forman. En cambio, las proteínas y las moléculas de agua están literalmente «enmarcadas por congelación». Debido a que las proteínas se preparan como suspensiones en lugar de cristales, pueden adoptar una configuración nativa en lugar de una forma rígida en los cristales.
Cada proteína tiene una imagen de muy baja dosis de electrones. Debido a que la dosis es baja, solo se obtienen sombras borrosas. Sin embargo, al promediar numerosas imágenes (por “numerosas” me refiero a un millón) utilizando algoritmos informáticos, podemos refinar la imagen a una resolución atómica. Debido a que las proteínas están orientadas al azar en suspensiones, se necesitan algoritmos sofisticados para realinear esas imágenes. Sin embargo, las imágenes de proteínas más pequeñas son demasiado pequeñas para realinearse, lo que pone un límite inferior (~ 200 kDa) en los tamaños de las proteínas que Cryo-EM resuelve.
Para obtener más información, consulte Un Nobel por Cryo-EM
Otra técnica emergente es Láser de rayos X de electrones libres (XFEL) . XFEL genera haces de rayos X extremadamente potentes diez órdenes de magnitud más brillantes que cualquier fuente de luz de rayos X, de una duración de hasta un femtosegundo. Debido a que los pulsos de rayos X son extremadamente cortos, pueden capturar las estructuras de las proteínas antes de que se separen (lo que se denomina «difracción antes de la destrucción»). Tal enfoque tiene el potencial de resolver las estructuras de las proteínas a temperatura ambiente en sus estados activos, utilizando cristales muy pequeños o incluso sin cristales. Sin embargo, se necesita un montón de investigación para desarrollar todo su potencial.
Debe tenerse en cuenta que aunque ambas radiografías y los haces de electrones pueden resolver las estructuras atómicas, hay una diferencia sutil https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Debido a que los rayos X son fotones, que interactúan directamente con cargas eléctricas (recuerde, los fotones son portadores de fuerza electromagnética), lo que los rayos X revelaron son auténtica densidad de electrones. mapas (porque los electrones son mucho más ligeros que los núcleos atómicos). Los electrones OTOH son partículas cargadas que interactúan con los átomos indirectamente a través de campos eléctricos. Como resultado, el Cryo-EM refleja en realidad la distribución del potencial eléctrico en lugar de las nubes de electrones (que, lamentablemente, se denomina erróneamente «mapas de densidad»). Una de las consecuencias es que los átomos y los iones son casi idénticos bajo los rayos X debido a sus tamaños y densidades electrónicas similares, pero radicalmente diferentes bajo los microscopios electrónicos porque los iones están cargados mientras que los átomos no.Por ejemplo, los grupos carboxilo protonados (-COOH) son idénticos a los carboxilos desprotonados (-COO-) en XRD, porque el ion hidrógeno es invisible bajo los rayos X. Sin embargo, debido a que los carboxilos desprotonados tienen una carga negativa, se distinguen fácilmente de los protonados con microscopios electrónicos. Como resultado, Cryo-EM tiene el potencial de revelar algunos detalles invisibles a los rayos X.