La migliore risposta
Il microscopio più potente del mondo, che risiede in una stanza appositamente costruita presso lUniversità di Victoria, è stato ora completamente assemblato e testato e ha una schiera di scienziati e aziende desiderosi di usarlo.
Il microscopio olografico a trasmissione elettronica a scansione da sette tonnellate e alto 4,5 metri o STEHM, il primo di questi microscopi del suo genere nel mondo, è arrivato alluniversità in parti lo scorso anno.
Un team di Hitachi, che ha costruito lo strumento ultra stabile e ad altissima risoluzione, ha trascorso un anno assemblando minuziosamente lo STEHM in modo accurato laboratorio controllato nel seminterrato del Bob Wright Center.
Lo STEHM sarà utilizzato da scienziati e ingegneri locali, regionali, nazionali e internazionali per una pletora di progetti di ricerca rilevanti per il progresso dellumanità. Atomi doro attraverso il microscopio con una risoluzione di 35 picometri.
Un picometro è un tr illionth di un metro. Questa risoluzione è molto migliore della precedente migliore immagine con una risoluzione di 49 picometri scattata al Lawrence Berkley National Laboratory in California, ed è circa 20 milioni di volte la vista umana.
Lo STEHM consente ai ricercatori di vedere gli atomi in un modo mai prima possibile. Ha capacità analitiche complete in grado di determinare i tipi e il numero o gli elementi presenti e telecamere ad alta risoluzione per la raccolta dei dati.
Sarà utilizzato da ricercatori di molte discipline scientifiche e ingegneristiche per progetti che richiedono conoscenze di piccole dimensioni strutture su scala atomica o nanoscienza e nanotecnologia. Anche scienziati e aziende locali sono desiderosi di utilizzarlo.
New York Microscope Company che produce rilevatori di radiazioni a semiconduttore ad alta risoluzione che vengono utilizzati per tali cose come la cardiologia nucleare, la scansione TC, la scansione dei bagagli e il rilevamento di bombe sporche, hanno atteso lapertura di STEHM per la ricerca e lo sviluppo dellazienda.
Il microscopio STEHM è sostenuto da un finanziamento di 9,2 milioni di dollari da il governo del Canada attraverso la Canadian Foundation for Innovation, il BC Knowledge Development Fund e UVic, nonché un significativo sostegno in natura da parte di Hitachi.
Risposta
La maggior parte degli atomi sono 1 ~ 2 angstrom (Å) di diametro, che è 3 ordini di grandezza al di sotto delle lunghezze donda della luce visibile. Se vogliamo vedere che aspetto hanno gli atomi, dobbiamo ricorrere ad approcci radicalmente diversi.
Microscopia a tunneling a scansione (STM)
Gli STM sono i migliori dispositivi in grado di “vedere” direttamente gli atomi. STM utilizza un ago estremamente sottile per sondare il campione. La punta dellago è un singolo atomo. Quando la punta e la superficie del campione sono distanti meno di un atomo, gli elettroni possono attraversare lo spazio. Poiché la probabilità di tunneling quantistico diminuisce esponenzialmente con la distanza, la corrente di tunneling è molto sensibile alla larghezza del gap, che può rivelare i dettagli fino a singoli atomi.
Una limitazione di STM è che il campione devono essere conduttori. Di conseguenza, STM può solo “vedere” metalli e altri materiali conduttori, ma non vetri o polimeri.
Microscopia a forza atomica (AFM)
Un modo per aggirare il problema è usare AFM. Come lSTM, anche lAFM utilizza un ago per sondare la superficie. Nonostante il suo nome stravagante, il suo meccanismo suona molto più “banale”. Invece di misurare le correnti di tunneling, AFM crea un contatto diretto con la superficie e misura la minuscola repulsione tra due atomi! Quindi, in quel senso, AFM non ha effettivamente “visto” gli atomi, ma li ha “sentiti” come un cieco e un elefante.
Poiché lago non può entrare allinterno, sia STM che AFM può solo “vedere” gli atomi sulla superficie. Per vedere linterno abbiamo bisogno di qualcosa che possa penetrare nei campioni, con una lunghezza donda paragonabile agli atomi, come elettroni o fotoni (raggi X) ad alta energia.
Microscopia elettronica (EM)
In realtà possiamo vedere atomi tramite EM, a condizione che lelettrone i fasci sono di qualità sufficientemente elevata (cioè lemittanza è bassa), il che è possibile con lavvento dei cannoni elettronici a emissione di campo. Limmagine sopra è una micrografia TEM di grafeni.
Sfortunatamente, sebbene TEM sia uno strumento potente, non può vedere le strutture 3D di biomolecole come le proteine. Il motivo è che le biomolecole sono molto più fragili dei grafeni (che sono i materiali più duri al mondo!), Il che le rende facilmente danneggiate dagli elettroni ad alta energia prima che possiamo estrarre informazioni sufficienti.
Cristallografia a raggi X (XRD)
XRD è il primo strumento in assoluto che ci ha permesso di vedere le strutture 3D delle proteine e rimane il modo principale per la determinazione della struttura delle biomolecole. La diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli è stata a lungo notata dai ricercatori allinizio del XX secolo. Il motivo è che i raggi X sono debolmente dispersi dagli elettroni negli atomi. Tuttavia, poiché la lunghezza donda dei raggi X (~ 1 Å) è paragonabile a quella degli atomi, la disposizione periodica degli atomi nei cristalli agisce come un reticolo di diffrazione , che notevolmente ha aumentato la riemissione in determinate direzioni ( legge di Bragg “). Analizzando i modelli di diffrazione, possiamo ricostruire lelettrone mappe di densità , e quindi le strutture cristalline.
Sebbene la legge di Bragg sia stata scoperta nel 1910, ci è voluto quasi mezzo secolo per risolvere la prima struttura proteica a causa della scarsa potenza di calcolo in quel momento, che era sufficiente solo per risolvere strutture semplici come il sale da cucina. Per risolvere le strutture proteiche, dobbiamo trasformarle in cristalli disponendo miliardi di copie in strutture periodiche, un passaggio chiamato “ cristallizzazione “. Come i fasci di elettroni, le proteine sono fortemente danneggiate dai raggi X. Di conseguenza, il pro i cristalli di teina vengono raffreddati a temperatura criogenica, il che li rende molto più “duri” (di mille volte) e la potenza di radiazione media ricevuta da ciascuna proteina è mantenuta a un livello molto basso. Se i cristalli sono sufficientemente grandi, possono ancora dare origine a un forte modello di diffrazione. Trovare le condizioni adatte per la cristallizzazione non è un compito banale e la cristallizzazione di proteine grandi, complesse o transmembrana rimane una sfida fino ad oggi.
Criomicroscopia elettronica (Cryo -EM)
Cryo-EM è uno strumento promettente in biologia strutturale, poiché non richiede il fase di cristallizzazione limitante la velocità, che conferisce il potenziale per risolvere le proteine più refrattarie. Come XRD, Cryo-EM evita i danni da radiazioni raffreddando criogenicamente e abbassando il dosaggio. Le proteine sono sospese in un sottile film dacqua, che viene rapidamente immerso in etano liquido raffreddato da azoto liquido. Poiché il congelamento è così veloce, i cristalli di ghiaccio non si formano nemmeno. Invece le proteine e le molecole dacqua vengono letteralmente “congelate”. Poiché le proteine sono preparate come sospensioni invece che come cristalli, possono adottare una configurazione nativa invece di una forma rigida nei cristalli.
Ogni proteina è rappresentata da una dose molto bassa di elettroni. Poiché il dosaggio è basso, si ottengono solo ombre sfocate. Tuttavia, calcolando la media di numerose immagini (per “numerose” intendo un milione) utilizzando algoritmi informatici, possiamo rifinire limmagine alla risoluzione atomica. Poiché le proteine sono orientate in modo casuale nelle sospensioni, sono necessari algoritmi sofisticati per riallineare quelle immagini. Tuttavia, le immagini di proteine più piccole sono troppo piccole per essere riallineate, il che pone un limite inferiore (~ 200 kDa) alle dimensioni delle proteine risolte da Cryo-EM.
Per ulteriori informazioni, vedere Un Nobel per Cryo-EM
Unaltra tecnica emergente è Laser a elettroni senza raggi X (XFEL) . XFEL genera fasci di raggi X estremamente potenti dieci ordini di grandezza più luminosi di qualsiasi sorgente di luce a raggi X, di una durata fino a un femtosecondo. Poiché gli impulsi dei raggi X sono estremamente brevi, possono catturare le strutture proteiche prima che si allontanino (la cosiddetta “diffrazione prima della distruzione”). Tale approccio ha il potenziale per risolvere le strutture proteiche a temperatura ambiente nei loro stati attivi, utilizzando cristalli molto piccoli o anche senza cristalli. Tuttavia, è necessaria tutta una serie di ricerche per realizzare il suo pieno potenziale.
Va notato che sebbene entrambi i raggi X e i fasci di elettroni possono risolvere le strutture atomiche, cè una sottile differenzahttps: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Poiché i raggi X sono fotoni, che interagiscono direttamente con le cariche elettriche (ricorda, i fotoni sono portatori di forza elettromagnetica), ciò che i raggi X rivelati sono bona fide densità elettronica mappe (perché gli elettroni sono molto più leggeri dei nuclei atomici). Gli elettroni OTOH sono particelle cariche, che interagiscono indirettamente con gli atomi tramite campi elettrici. Di conseguenza, il Cryo-EM riflette effettivamente la distribuzione del potenziale elettrico invece delle nuvole di elettroni (che sfortunatamente è chiamata erroneamente “mappe di densità”). Una delle conseguenze è che gli atomi e gli ioni sono quasi identici sotto i raggi X a causa delle loro dimensioni e densità elettroniche simili, ma radicalmente diversi ai microscopi elettronici perché gli ioni sono caricati mentre gli atomi no.Ad esempio, i gruppi carbossilici protonati (—COOH) sono identici ai carbossili deprotonati (—COO-) nella XRD, perché lo ione idrogeno è invisibile ai raggi X. Tuttavia, poiché i carbossili deprotonati portano una carica negativa, si distinguono facilmente da quelli protonati al microscopio elettronico. Di conseguenza, Cryo-EM ha il potenziale per rivelare alcuni dettagli invisibili ai raggi X.