Paras vastaus
Maailman tehokkain mikroskooppi, joka sijaitsee erityisesti rakennetussa yliopiston yliopistossa Victoria on nyt koottu ja testattu, ja sillä on joukko tiedemiehiä ja yrityksiä, jotka haluavat käyttää sitä.
Seitsemän tonnin pituinen, 4,5 metriä korkea skannaava lähetyselektroninen holografiamikroskooppi tai STEHM, ensimmäinen tällainen mikroskooppi tyypiltään maailmassa, tuli yliopistoon osina viime vuonna.
Erittäin korkean resoluution ja erittäin vakaan instrumentin rakentanut Hitachin tiimi vietti vuoden huolellisesti STEHM: n huolellisessa kokoamisessa. Ohjattu laboratorio Bob Wright -keskuksen kellarissa.
STEHM: ää käyttävät paikalliset, alueelliset, kansalliset ja kansainväliset tutkijat ja insinöörit lukuisissa tutkimushankkeissa, jotka liittyvät ihmiskunnan etenemiseen. mikroskooppi 35 pikometrin tarkkuudella.
Yksi pikometri on tr metrin sata. Tämä tarkkuus on paljon parempi kuin edellinen paras kuva, jossa 49 pikometrin tarkkuus otettiin Lawrence Berkleyn kansallisessa laboratoriossa Kaliforniassa, ja se on noin 20 miljoonaa kertaa ihmisen näköpiiri.
STEHM antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä atomeja koskaan ennen mahdollista. Siinä on täydelliset analyyttiset valmiudet, jotka voivat määrittää läsnä olevat tyypit ja lukumäärän tai elementit, ja korkean resoluution kamerat tietojen keräämiseksi.
Sitä käyttävät useiden tiede- ja tekniikanalojen tutkijat projekteihin, jotka edellyttävät pienten tietämystä. atomimittarakenteet tai nanotiede ja nanoteknologia. Paikalliset tutkijat ja yritykset ovat myös innokkaita käyttämään sitä.
New York Microscope Company , joka valmistaa tällaisiin tarkoituksiin käytettäviä korkean resoluution puolijohde-ilmaisimia kuten ydinkardiologia, CT-skannaus, matkatavaroiden skannaus ja likainen pommien havaitseminen, ovat odottaneet STEHM: n avaamista yrityksen tutkimus- ja kehitystyöhön.
STEHM-mikroskooppia tukee 9,2 miljoonan dollarin rahoitus Kanadan hallitus Kanadan säätiön innovaatioiden, BC Knowledge Development Fundin ja UVicin kautta sekä Hitachin merkittävä luontoissuoritusten tuki.
Vastaus
Suurin osa atomeista on 1 ~ 2 halkaisijaltaan angströmejä (Å), joka on 3 suuruusluokkaa näkyvien valojen aallonpituuksien alapuolella. Jos haluamme nähdä, miltä atomit näyttävät, meidän on käytettävä joitain radikaalisti erilaisia lähestymistapoja.
Tunnelimikroskopia (STM)
STM ovat kuusi st laitteet, jotka pystyvät ”näkemään” atomit suoraan. STM käyttää näytteen tutkimiseksi erittäin ohutta neulaa. Neulan kärki on yksi atomi. Kun kärki ja näytteen pinta ovat alle atomin toisistaan, elektronit voivat tunneloitua aukon läpi. Koska kvanttitunneloinnin todennäköisyys putoaa eksponentiaalisesti etäisyyden mukana, tunnelointivirta on hyvin herkkä aukon leveydelle, mikä voi paljastaa yksityiskohdat yksittäisiin atomiin asti.
Yksi STM: n rajoitus on, että näyte on oltava johtimia. Tämän seurauksena STM voi ”nähdä” vain metalleja ja muita johtavia materiaaleja, mutta ei lasia tai polymeerejä.
Atomivoimamikroskopia (AFM)
Yksi tapa kiertää ongelma on käyttää AFM: ää. Kuten STM, AFM käyttää myös neulaa pinnan tutkimiseksi. Hienosta nimestään huolimatta sen mekanismi kuulostaa paljon ”triviaalilta”. Tunnelointivirtausten mittaamisen sijaan AFM on suorassa kosketuksessa pinnan kanssa ja mittaa kahden atomin välisen pienen hylkimisen! Joten siinä mielessä AFM ei oikeastaan ”nähnyt” atomeja, mutta ”tunsi” niitä sokeana ja norsuna.
Koska neula ei pääse sisätiloihin, sekä STM että AFM vain ”nähdä” atomien pinnalla. Sisätilan näkemiseksi tarvitsemme jotain, joka voi tunkeutua näytteisiin, joiden aallonpituus on verrattavissa atomiin, kuten suurenergiset elektronit tai fotonit (röntgensäteet).
Elektronimikroskopia (EM)
Itse asiassa voimme nähdä atomeja EM: n kautta edellyttäen, että elektroni säteet ovat riittävän korkealaatuisia (ts. emittanssi on pieni), mikä on mahdollista kenttäemissioelektronipistoolien tullessa voimaan. Yllä oleva kuva on TEM-mikrokuvaus grafeeneista.
Valitettavasti, vaikka TEM on tehokas työkalu, se ei näe biomolekyylien 3D-rakenteita, kuten proteiineja. Syynä on se, että biomolekyylit ovat paljon herkempiä kuin grafeenit (jotka ovat maailman kovimpia materiaaleja!), Mikä tekee niistä korkean energian elektronien vaurioituvat helposti, ennen kuin voimme kerätä tarpeeksi tietoa.
Röntgenkristallografia (XRD)
XRD on kaikkien aikojen ensimmäinen työkalu, jonka avulla voimme nähdä proteiinien 3D-rakenteet, ja se on edelleen ensisijainen tapa määrittää biomolekyylien rakenne. Tutkijat ovat jo pitkään huomanneet röntgensäteiden diffraktiota kiteillä 1900-luvun alussa. Syynä on, että elektronit levittävät heikosti röntgensäteitä atomiin. Koska röntgensäteiden aallonpituus (~ 1 Å) on kuitenkin verrattavissa atomien kanssa, atomien jaksollinen järjestely kiteissä toimii kuten diffraktioristikko , joka suuresti lisäsi uudelleen päästämistä tiettyihin suuntiin ( Braggin laki ). Analysoimalla diffraktiomalleja voimme rekonstruoida elektronin tiheyskartat ja siten myös kristallirakenteet.
Vaikka Braggin laki löydettiin 1910-luvulla, ensimmäisen proteiinirakenteen ratkaiseminen kesti lähes puoli vuosisataa tuolloin huonon laskentatehon takia, mikä riitti vain niin yksinkertaisten rakenteiden ratkaisemiseen kuin pöytäsuola. miljardeja kopioita jaksollisiin rakenteisiin, vaihe, jota kutsutaan ” kiteytymiseksi ”. Röntgensäteet vahingoittavat proteiineja kuten proteiineja voimakkaasti. Tämän seurauksena pro teiinikiteet jäähdytetään kryogeeniseen lämpötilaan, mikä tekee niistä paljon ”kovempia” (tuhatkertaisesti), ja kunkin proteiinin keskimääräinen säteilyteho pidetään hyvin matalalla tasolla. Jos kiteet ovat riittävän suuria, ne voivat silti aiheuttaa voimakkaan diffraktiokuvion. Sopivien olosuhteiden löytäminen kiteytymiselle ei ole triviaali tehtävä, ja suurten, monimutkaisten tai kalvojen läpi kulkevien proteiinien kiteyttäminen on edelleen haaste.
Elektronikrykomikroskopia (Cryo -EM)
Cryo-EM on lupaava työkalu rakennebiologiassa, koska se ei vaadi nopeutta rajoittava kiteytysvaihe, joka antaa mahdollisuuden ratkaista kaikkein tulenkestävimmät proteiinit. Kuten XRD, Cryo-EM välttää säteilyvaurioita kryogeenisellä jäähdytyksellä ja pienentämällä annosta. Proteiinit suspendoidaan ohueseen vesikalvoon, joka kastetaan nopeasti nestemäisellä typellä jäähdytettyyn nestemäiseen etaaniin. Koska jäätyminen on niin nopeaa, jääkiteitä ei edes muodostu. Sen sijaan proteiinit ja vesimolekyylit kirjaimellisesti ”pakastetaan”. Koska proteiinit valmistetaan suspensioina kiteiden sijasta, ne voivat omaksua natiivin konfiguraation kiteiden jäykän muodon sijaan.
Jokaista proteiinia kuvaa erittäin pieni elektroniannos. Koska annos on pieni, saadaan vain näön varjoja. Keskittämällä lukuisia kuvia (sanalla ”lukuisia” tarkoitan miljoonaa) tietokonealgoritmeilla voimme kuitenkin tarkentaa kuvan atomiresoluutioina. Koska proteiinit ovat satunnaisesti orientoituneita suspensioissa, näiden kuvien uudelleen suuntaamiseksi tarvitaan kehittyneitä algoritmeja. Pienempien proteiinien kuvat ovat kuitenkin liian pieniä uudelleen kohdentamiseksi, mikä asettaa alarajan (~ 200 kDa) Cryo-EM: n ratkaisemien proteiinien kooille.
Lisätietoja on kohdassa Cryo-EM-Nobel
Toinen kehittyvä tekniikka on Röntgensäteettömät elektronilaserit (XFEL) . XFEL tuottaa erittäin voimakkaita röntgensäteitä, jotka ovat kymmenen suuruusluokkaa kirkkaampia kuin mikään röntgensäteen valonlähde, kesto femtosekunniksi saakka. Koska röntgenpulssit ovat erittäin lyhyitä, ne voivat siepata proteiinirakenteet ennen kuin ne lentävät erilleen (ns. Diffraktio ennen tuhoutumista). Tällaisella lähestymistavalla on mahdollisuus ratkaista proteiinirakenteet huoneenlämpötilassa niiden aktiivisissa tiloissa käyttämällä hyvin pieniä kiteitä tai jopa ilman kiteitä. Sen koko potentiaalin hyödyntämiseen tarvitaan kuitenkin koko joukko tutkimuksia.
On huomattava, että vaikka molemmat röntgenkuvat ja elektronisuihkut pystyvät ratkaisemaan atomirakenteet, siinä on hieno ero. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Koska röntgensäteet ovat fotoneja, jotka ovat vuorovaikutuksessa suoraan sähkövarausten kanssa (muista, että fotonit ovat sähkömagneettisen voiman kantajia), paljastetut röntgensäteet ovat vilpittömästi elektronitiheyttä kartat (koska elektronit ovat paljon kevyempiä kuin atomiytimet). Elektronit OTOH ovat varautuneita hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa atomien kanssa epäsuorasti sähkökenttien kautta. Tämän seurauksena Cryo-EM heijastaa tosiasiallisesti sähköisen potentiaalin jakautumista elektronipilvien sijaan (mikä on valitettavasti nimetty väärin nimellä ”tiheyskartat”). Yksi seurauksista on, että atomit ja ionit ovat melkein identtiset röntgensäteillä niiden samanlaisen koon ja elektronitiheyden vuoksi, mutta radikaalisti erilaiset elektronimikroskoopeissa, koska ionit ovat varautuneita, kun taas atomit eivät ole.Esimerkiksi protonoidut karboksyyliryhmät (-COOH) ovat identtisiä deprotonoitujen karboksyylien (-COO-) kanssa XRD: ssä, koska vetyioni on näkymätön röntgensäteillä. Koska deprotonoiduilla karboksyyleillä on negatiivinen varaus, ne erotetaan helposti protonoiduista elektronimikroskoopeissa. Tämän seurauksena Cryo-EM: llä on potentiaalia paljastaa joitain röntgensäteille näkymättömiä yksityiskohtia.