Meilleure réponse
Le microscope le plus puissant du monde, situé dans une salle spécialement construite à l’Université de Victoria, a maintenant été entièrement assemblée et testée, et dispose dune gamme de scientifiques et dentreprises désireuses de lutiliser.
Le microscope à holographie électronique à balayage de sept tonnes et 4,5 mètres de haut, ou STEHM, est le premier microscope de ce type de ce type dans le monde, est venu à luniversité en partie lannée dernière.
Une équipe dHitachi, qui a construit linstrument ultra haute résolution et ultra-stable, a passé un an à assembler minutieusement le STEHM dans un laboratoire contrôlé dans le sous-sol du Centre Bob Wright.
Le STEHM sera utilisé par des scientifiques et des ingénieurs locaux, régionaux, nationaux et internationaux pour une pléthore de projets de recherche pertinents pour lavancement de lhumanité. le microscope à une résolution de 35 picomètres.
Un picomètre est un tr illionième de mètre. Cette résolution est bien meilleure que la meilleure image précédente avec une résolution de 49 picomètres prise au Lawrence Berkley National Laboratory en Californie, et représente environ 20 millions de fois la vue humaine.
Le STEHM permet aux chercheurs de voir les atomes dans un manière jamais possible auparavant. Il a des capacités analytiques complètes qui peuvent déterminer les types et le nombre ou les éléments présents, et des caméras haute résolution pour collecter des données.
Il sera utilisé par les chercheurs de nombreuses disciplines scientifiques et dingénierie pour des projets nécessitant des connaissances de petite taille structures à léchelle atomique ou nanosciences et nanotechnologies. Les scientifiques et les entreprises locales sont également impatients de lutiliser.
New York Microscope Company qui fabrique des détecteurs de rayonnement à semi-conducteurs haute résolution qui sont utilisés pour ces des choses comme la cardiologie nucléaire, la tomodensitométrie, la numérisation des bagages et la détection de bombes sales, attendait louverture du STEHM pour la recherche et le développement de la société.
Le microscope STEHM est financé par 9,2 millions de dollars de le gouvernement du Canada par lentremise de la Fondation canadienne pour linnovation, du BC Knowledge Development Fund et dUVic, ainsi quun important soutien en nature dHitachi.
Réponse
La plupart des atomes sont de 1 ~ 2 angströms (Å) de diamètre, soit 3 ordres de grandeur en dessous des longueurs donde des lumières visibles. Si nous voulons voir à quoi ressemblent les atomes, nous devons recourir à des approches radicalement différentes.
Microscopie à effet tunnel (STM)
Les STM sont le sapin st dispositifs capables de «voir» les atomes directement. STM utilise une aiguille extrêmement fine pour sonder léchantillon. La pointe de laiguille est un seul atome. Lorsque la pointe et la surface de l’échantillon sont distantes de moins d’un atome, les électrons peuvent traverser l’espace. Parce que la probabilité de tunnel quantique diminue exponentiellement avec la distance, le courant tunnel est très sensible à la largeur de lécart, ce qui peut révéler les détails jusquà des atomes simples.
Une limitation de STM est que léchantillon doivent être des conducteurs. Par conséquent, la STM ne peut «voir» que les métaux et autres matériaux conducteurs, mais pas les verres ou les polymères.
Microscopie à force atomique (AFM)
Une façon de contourner le problème est dutiliser lAFM. Comme le STM, lAFM utilise également une aiguille pour sonder la surface. Malgré son nom fantaisiste, son mécanisme semble beaucoup plus «trivial». Au lieu de mesurer les courants tunnel, lAFM établit un contact direct avec la surface, et mesure la minuscule répulsion entre deux atomes! Donc, dans ce sens, lAFM na pas réellement «vu» les atomes, mais les a «ressentis» comme un aveugle et un éléphant.
Parce que laiguille ne peut pas pénétrer à lintérieur, STM et AFM ne peut «voir» que les atomes à la surface. Pour voir lintérieur, nous avons besoin de quelque chose qui puisse pénétrer les échantillons, avec une longueur donde comparable aux atomes, comme des électrons de haute énergie ou des photons (rayons X).
Microscopie électronique (EM)
En fait, nous pouvons voir les atomes via EM, à condition que lélectron les faisceaux sont de qualité suffisamment élevée (cest-à-dire que lémittance est faible), ce qui est possible avec lavènement des canons à électrons à émission de champ. Limage ci-dessus est une micrographie TEM de graphènes.
Malheureusement, bien que TEM soit un outil puissant, il ne peut pas voir les structures 3D de biomolécules comme les protéines. La raison en est que les biomolécules sont beaucoup plus fragiles que les graphènes (qui sont les matériaux les plus durs au monde!), Ce qui les rend facilement endommagées par les électrons à haute énergie avant que nous puissions extraire suffisamment dinformations.
Cristallographie aux rayons X (XRD)
XRD est le tout premier outil qui nous a permis de voir les structures 3D des protéines, et reste le principal moyen de détermination de la structure des biomolécules. La diffraction des rayons X par les cristaux a longtemps été remarquée par les chercheurs au début du XXe siècle. La raison en est que les rayons X sont faiblement diffusés par les électrons dans les atomes. Cependant, comme la longueur donde des rayons X (~ 1 Å) est comparable à celle des atomes, la disposition périodique des atomes dans les cristaux agit comme un réseau de diffraction , qui augmenté la réémission dans certaines directions ( loi de Bragg ). En analysant les diagrammes de diffraction, nous pouvons reconstruire lélectron cartes de densité , et donc les structures cristallines.
Bien que la loi de Bragg ait été découverte dans les années 1910, il a fallu près dun demi-siècle pour résoudre la première structure protéique en raison de la faible puissance de calcul à lépoque, qui était seulement suffisante pour résoudre des structures aussi simples que le sel de table. Pour résoudre les structures protéiques, nous devons les transformer en cristaux en organisant des milliards de copies dans des structures périodiques, une étape appelée «cristallisation ». Comme les faisceaux délectrons, les protéines sont fortement endommagées par les rayons X. En conséquence, le pro les cristaux de teine sont refroidis à la température cryogénique, ce qui les rend beaucoup plus «durs» (de mille fois), et la puissance de rayonnement moyenne reçue par chaque protéine est maintenue à un niveau très bas. Si les cristaux sont suffisamment gros, ils peuvent encore donner lieu à un fort diagramme de diffraction. Trouver les conditions appropriées pour la cristallisation nest pas une tâche triviale, et la cristallisation de protéines de grande taille, complexes ou transmembranaires reste un défi à ce jour.
Cryomicroscopie électronique (Cryo -EM)
Cryo-EM est un outil prometteur en biologie structurale, car il ne nécessite pas le étape de cristallisation limitant la vitesse, qui confère le potentiel de résoudre les protéines les plus réfractaires. Comme XRD, Cryo-EM évite les dommages causés par les radiations par refroidissement cryogénique et abaissement du dosage. Les protéines sont mises en suspension dans un mince film deau, qui est rapidement plongé dans léthane liquide refroidi par lazote liquide. Parce que la congélation est si rapide, les cristaux de glace ne se forment même pas. Au lieu de cela, les protéines et les molécules deau sont littéralement «gelées». Parce que les protéines sont préparées sous forme de suspensions au lieu de cristaux, elles peuvent adopter une configuration native au lieu dune forme rigide en cristaux.
Chaque protéine est imagée par une très faible dose délectrons. Parce que le dosage est faible, seules des ombres floues sont obtenues. Cependant, en faisant la moyenne de nombreuses images (par «nombreuses», je veux dire un million) à laide dalgorithmes informatiques, nous pouvons affiner limage à une résolution atomique. Parce que les protéines sont orientées au hasard dans les suspensions, des algorithmes sophistiqués sont nécessaires pour réaligner ces images. Cependant, les images de protéines plus petites sont trop petites pour être réalignées, ce qui place une limite inférieure (~ 200 kDa) sur la taille des protéines résolues par Cryo-EM.
Pour plus dinformations, voir Un Nobel pour la Cryo-EM
Une autre technique émergente est Laser à électrons libres de rayons X (XFEL) . XFEL génère des faisceaux de rayons X extrêmement puissants dix ordres de grandeur plus brillants que toutes les sources de lumière à rayons X, dune durée allant jusquà une femtoseconde. Parce que les impulsions de rayons X sont extrêmement courtes, elles peuvent capturer les structures protéiques avant quelles ne se séparent (ce que lon appelle «diffraction avant destruction»). Une telle approche a le potentiel de résoudre les structures protéiques à température ambiante dans leurs états actifs, en utilisant de très petits cristaux ou même sans cristaux. Cependant, tout un tas de recherches est nécessaire pour réaliser son plein potentiel.
Il convient de noter que bien que les deux rayons X et les faisceaux délectrons peuvent résoudre les structures atomiques, il y a une différence subtilehttps: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Parce que les rayons X sont des photons, qui interagissent directement avec les charges électriques (rappelez-vous, les photons sont porteurs de force électromagnétique), les rayons X révélés sont bonne foi densité d’électrons cartes (car les électrons sont beaucoup plus légers que les noyaux atomiques). Les électrons OTOH sont des particules chargées, qui interagissent indirectement avec les atomes via des champs électriques. En conséquence, le Cryo-EM reflète en fait la distribution du potentiel électrique au lieu des nuages délectrons (ce qui est malheureusement appelé à tort «cartes de densité»). Lune des conséquences est que les atomes et les ions sont presque identiques sous les rayons X en raison de leurs tailles et densités délectrons similaires, mais radicalement différents sous les microscopes électroniques car les ions sont chargés alors que les atomes ne le sont pas.Par exemple, les groupes carboxyles protonés (-COOH) sont identiques aux carboxyles déprotonés (-COO-) en XRD, car lion hydrogène est invisible sous les rayons X. Cependant, comme les carboxyles déprotonés portent une charge négative, ils se distinguent facilement des carboxyles protonés sous microscopes électroniques. En conséquence, Cryo-EM a le potentiel de révéler certains détails invisibles aux rayons X.