Legjobb válasz
A világ legerősebb mikroszkópja, amely az Egyetem speciálisan kialakított helyiségében található Victoria mostanra teljesen összeállt és tesztelték, és olyan tudósokból és vállalkozásokból áll, akik szívesen használnák.
A hét tonnás, 4,5 méter magas pásztázó transzmissziós elektron-holográfiai mikroszkóp vagy STEHM, az első ilyen mikroszkóp a világon ilyen típusú, tavaly részenként került az egyetemre.
A Hitachi csapata, amely megalkotta az ultra nagy felbontású, ultra-stabil műszert, egy évet fáradságosan töltött azzal, hogy gondosan összeszerelte a STEHM-et. ellenőrzött laboratórium a Bob Wright Központ alagsorában.
A STEHM-et helyi, regionális, országos és nemzetközi tudósok és mérnökök rengeteg kutatási projektben fogják felhasználni, amelyek az emberiség fejlődése szempontjából relevánsak. a mikroszkóp 35 pikométer felbontással.
Az egyik pikométer egy tr méter illionja. Ez a felbontás jóval jobb, mint a kaliforniai Lawrence Berkley Nemzeti Laboratóriumban készített 49 pikométeres felbontás korábbi legjobb képe, és körülbelül 20 milliószorosa az emberi látásnak.
A STEHM lehetővé teszi a kutatók számára, hogy az atomokat egy soha nem lehetséges. Teljes analitikai képességekkel rendelkezik, amelyek képesek meghatározni a jelenlévő típusokat és számokat, valamint nagy felbontású kamerákkal az adatok összegyűjtésére.
Számos tudományos és mérnöki tudományterület kutatója fogja használni olyan projektek számára, amelyekhez kisméretű ismeretekre van szükség. atomi léptékű struktúrák vagy nanotudomány és nanotechnológia. A helyi tudósok és az üzleti vállalkozások is szívesen használják.
New York Microscope Company , amely nagy felbontású félvezető sugárzási detektorokat gyárt, amelyek ilyenek olyan dolgok, mint a nukleáris kardiológia, a CT-vizsgálat, a poggyász-átvizsgálás és a piszkos bombadetektálás, már várták az STEHM megnyitását a vállalat kutatás-fejlesztése előtt. Kanada kormánya a Kanadai Innovációs Alapítvány, a BC Tudásfejlesztési Alap és az UVic révén, valamint a Hitachi jelentős természetbeni támogatása.
Válasz
A legtöbb atom 1 ~ 2 angström (Å) átmérőjű, ami 3 nagyságrenddel a látható fények hullámhosszai alatt van. Ha meg akarjuk nézni, hogy néznek ki az atomok, akkor gyökeresen eltérő megközelítésekhez kell folyamodnunk.
Pásztázó alagút mikroszkópia (STM)
Az STM a fenyő olyan eszközök, amelyek képesek közvetlenül „látni” az atomokat. Az STM rendkívül vékony tűvel vizsgálja meg a mintát. A tűhegy egyetlen atom. Amikor a csúcs és a minta felülete kevesebb, mint egy atom egymástól, az elektronok alagutazhatnak a résen. Mivel a kvantumalagút valószínűsége a távolsággal exponenciálisan csökken, az alagút áram nagyon érzékeny a rés szélességére, ami felfedheti a részleteket egyes atomokig.
Az STM egyik korlátja, hogy a minta vezetőknek kell lenniük. Ennek eredményeként az STM csak fémeket és más vezető anyagokat képes „látni”, üvegeket és polimereket nem.
Atomerő-mikroszkópia (AFM)
A probléma kikerülésének egyik módja az AFM használata. Az STM-hez hasonlóan az AFM is tűt használ a felület tapintására. Divatos neve ellenére mechanizmusa sokkal „triviálisabbnak” hangzik. Az alagút áramainak mérése helyett az AFM közvetlenül érintkezik a felszínnel, és megmérje a két atom közötti apró taszítást! Tehát ebben az értelemben az AFM valójában nem “látta” az atomokat, hanem “úgy érezte” őket, mint egy vak ember és egy elefánt.
Mivel a tű nem tud bejutni a belső térbe, mind az STM, mind az AFM csak a felszínen „láthatja” az atomokat. A belső tér megtekintéséhez szükségünk van valamire, amely behatolhat a mintákba, az atomokhoz hasonló hullámhosszal, például nagy energiájú elektronokkal vagy fotonokkal (röntgensugarak).
Elektronmikroszkópia (EM)
Valójában az atomokon keresztül láthatjuk az atomokat, feltéve, hogy az elektron a fénysugarak kellően jó minőségűek (azaz alacsony az emisszió), ami a terepi emissziós elektronágyúk megjelenésével lehetséges. A fenti kép a grafének TEM mikrográfiája.
Sajnos, bár a TEM hatékony eszköz, a fehérjékhez hasonló biomolekulák 3D szerkezetét nem látja. Ennek oka az, hogy a biomolekulák sokkal törékenyebbek, mint a grafének (amelyek a legnehezebb anyagok a világon!), Emiatt a nagy energiájú elektronok könnyen károsíthatják őket, mielőtt elegendő információt kibontanánk.
Röntgenkristályográfia (XRD)
Az XRD az első olyan eszköz, amely lehetővé tette számunkra a fehérjék 3D-s szerkezeteinek megtekintését, és továbbra is a biomolekulák szerkezetének meghatározásának elsődleges módja. A röntgensugarak kristályok általi diffrakciójára a 20. század elején már régóta felfigyeltek a kutatók. Ennek oka az, hogy a röntgensugarakat gyengén szórják az atomok elektronjai. Mivel azonban a röntgensugarak hullámhossza (~ 1 Å) összehasonlítható az atomokkal, az atomok periodikus elrendezése a kristályokban úgy működik, mint egy diffrakciós rács , ami nagyban bizonyos irányokba emelte az újbóli kibocsátást ( Bragg törvény ). A diffrakciós minták elemzésével rekonstruálhatjuk az elektront sűrűség térképek , és ennélfogva a kristályszerkezetek.
Bár a Bragg-törvényt az 1910-es években fedezték fel, Az első fehérjeszerkezet megoldása az akkori gyenge számítási erő miatt csaknem fél évszázadot vett igénybe, ami csak az asztali só egyszerűségű struktúráinak megoldására volt elegendő. A fehérjeszerkezetek megoldásához kristályokká kell alakítanunk azokat elrendezéssel milliárdnyi másolat periodikus struktúrákba, ezt a lépést „ kristályosítás ” -nak nevezik. Mint az elektronnyalábok, a fehérjéket is erősen károsítják a röntgensugarak. Ennek eredményeként a pro a tein kristályokat kriogén hőmérsékletre hűtik, ami sokkal „megkeményíti” őket (ezerszeresére), és az egyes fehérjék által kapott átlagos sugárzási teljesítmény nagyon alacsony szinten marad. Ha a kristályok kellően nagyok, akkor is erős diffrakciós mintázatot eredményezhetnek. A kristályosodás megfelelő körülményeinek megtalálása nem triviális feladat, és a nagy, komplex vagy transzmembrán fehérjék kristályosítása mindmáig kihívást jelent.
Elektron kriomikroszkópia (Cryo -EM)
A Cryo-EM a strukturális biológia ígéretes eszköze, mivel nem igényli a sebességkorlátozó kristályosítási lépés, amely lehetőséget ad a leginkább tűzálló fehérjék megoldására. Az XRD-hez hasonlóan a Cryo-EM a kriogén hűtés és az adag csökkentésével elkerüli a sugárzás károsodását. A fehérjéket egy vékony vízrétegben szuszpendáljuk, amelyet gyorsan folyékony nitrogénnel lehűtött folyékony etánba mártunk. Mivel a fagyás olyan gyors, a jégkristályok nem is képződnek. Ehelyett a fehérjék és a vízmolekulák szó szerint „fagykeretesek”. Mivel a fehérjéket kristályok helyett szuszpenzióként készítik elő, a kristályokban merev alak helyett natív konfigurációt is felvehetnek.
Minden fehérjét nagyon alacsony elektrondózis képez. Mivel az adagolás alacsony, csak homályos árnyékokat kapunk. Számos kép átlagolásával („sok” alatt milliót értek) számítógépes algoritmusok segítségével finomíthatjuk a képet atomfelbontásra. Mivel a fehérjék véletlenszerűen orientálódnak a szuszpenziókban, kifinomult algoritmusokra van szükség a képek átrendezéséhez. A kisebb fehérjék képei azonban túl kicsik ahhoz, hogy újrarendeződjenek, ami alacsonyabb határértéket (~ 200 kDa) tesz a Cryo-EM által megoldott fehérjék méretére.
További információ: A Cryo-EM Nobel-je
Egy másik kialakuló technika Röntgenmentes elektronlézer (XFEL) . Az XFEL rendkívül erős röntgensugarakat generál, amelyek tíz nagyságrenddel fényesebbek, mint bármelyik röntgenfényforrás, femtoszekundumig terjedő időtartammal. Mivel a röntgenimpulzusok rendkívül rövidek, meg tudják ragadni a fehérjeszerkezeteket, mielőtt szétrepülnek (úgynevezett „diffrakció a pusztulás előtt”). Ez a megközelítés meg tudja oldani a fehérjeszerkezeteket szobahőmérsékleten, aktív állapotukban, nagyon kis kristályok felhasználásával vagy akár kristályok nélkül is. Teljes potenciáljának kiaknázásához azonban sok kutatásra van szükség.
Meg kell jegyezni, hogy bár mindkét röntgen és az elektronnyaláb képes megoldani az atomszerkezeteket, finom különbség van itt: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Mivel a röntgensugarak fotonok, amelyek közvetlenül kölcsönhatásba lépnek az elektromos töltésekkel (ne felejtsük el, hogy a fotonok az elektromágneses erő hordozói), ezért a röntgensugarak jóhiszemű elektronsűrűség térképek (mert az elektronok sokkal könnyebbek, mint az atommagok). Az OTOH elektronok töltött részecskék, amelyek elektromos mezőkön keresztül közvetett módon lépnek kölcsönhatásba az atomokkal. Ennek eredményeként a Cryo-EM valójában az elektromos potenciál eloszlását tükrözi az elektronfelhők helyett (amit sajnos rosszul neveznek „sűrűségtérképeknek”). Az egyik következmény az, hogy az atomok és ionok a röntgensugárzás alatt hasonló méretük és elektronsűrűségük miatt szinte azonosak, de az elektronmikroszkóp alatt gyökeresen eltérnek egymástól, mivel az ionok töltődnek, míg az atomok nem.Például a protonált karboxilcsoportok (–COOH) megegyeznek a deprotonált karboxilcsoportokkal (–COO-) az XRD-ben, mivel a hidrogénion röntgensugarak alatt láthatatlan. Mivel azonban a deprotonált karboxilok negatív töltést hordoznak, elektronmikroszkóp alatt könnyen megkülönböztethetők a protonáltaktól. Ennek eredményeként a Cryo-EM képes felfedni a röntgensugarak számára láthatatlan néhány részletet.