Beste svaret
Verdens kraftigste mikroskop, som ligger i et spesialkonstruert rom ved University of Victoria, er nå ferdigmontert og testet, og har en rekke forskere og virksomheter som er ivrige etter å bruke den.
Det syv tonn, 4,5 meter høye skanningstransmisjon elektronholografimikroskopet eller STEHM, det første slike mikroskopet av sin type i verden, kom til universitetet i deler i fjor.
Et team fra Hitachi, som konstruerte det ultrahøye oppløsningen, ultra-stabile instrumentet, brukte ett år omhyggelig på å montere STEHM i en nøye kontrollert laboratorium i kjelleren til Bob Wright Center.
STEHM vil bli brukt av lokale, regionale, nasjonale og internasjonale forskere og ingeniører for en mengde forskningsprosjekter som er relevante for menneskehetens utvikling. Gullatomer gjennom mikroskopet med en oppløsning på 35 pikometre.
En pikometre er en tr illionth av en meter. Denne oppløsningen er mye bedre enn det forrige beste bildet med 49 pikometers oppløsning tatt ved Lawrence Berkley National Laboratory i California, og er omtrent 20 millioner ganger menneskelig syn.
STEHM tillater forskere å se atomene i en måte som aldri før var mulig. Den har full analytisk evne som kan bestemme hvilke typer og antall eller elementer som er tilstede, og kameraer med høy oppløsning for innsamling av data.
Det vil bli brukt av forskere fra mange vitenskaps- og ingeniørfag for prosjekter som krever kunnskap om små atomskala strukturer eller nanovitenskap og nanoteknologi. Lokale forskere og bedrifter er også ivrige etter å bruke den.
New York Microscope Company som produserer høyoppløselige halvlederstrålingsdetektorer som brukes til slike ting som kjernekardiologi, CT-skanning, skanning av bagasje og oppdagelse av skitne bomber, har ventet på at STEHM skulle åpne for selskapets forskning og utvikling.
STEHM-mikroskopet støttes av 9,2 millioner dollar i finansiering fra regjeringen i Canada gjennom Canadian Foundation for Innovation, BC Knowledge Development Fund og UVic, samt betydelig naturalstøtte fra Hitachi.
Svar
De fleste atomer er 1 ~ 2 angstroms (Å) i diameter, som er 3 størrelsesordener under bølgelengdene til synlige lys. Hvis vi vil se hvordan atomer ser ut, må vi ty til noen radikalt forskjellige tilnærminger.
Scanning tunneling microscopy (STM)
STM er gran st enheter som er i stand til å «se» atomene direkte. STM bruker en ekstremt tynn nål for å undersøke prøven. Nålespissen er et enkelt atom. Når spissen og prøveoverflaten er mindre enn et atom fra hverandre, kan elektroner tunnel gjennom gapet. Fordi sannsynligheten for kvantetunnel faller eksponentielt med avstanden, er tunnellstrømmen veldig følsom for bredden på gapet, noe som kan avsløre detaljene ned til enkeltatomer.
En begrensning av STM er at prøven må være konduktører. Som et resultat kan STM bare «se» metaller og andre ledende materialer, men ikke briller eller polymerer.
Atomic force microscopy (AFM)
En måte å løse problemet på er å bruke AFM. I likhet med STM bruker AFM også en nål for å undersøke overflaten. Til tross for det fancy navnet, høres mekanismen mye mer «triviell» ut. I stedet for å måle tunnelstrømmene, tar AFM direkte kontakt med overflaten, og måler den lille frastøtingen mellom to atomer! Så i så måte «så» AFM faktisk ikke atomene, men «følte» dem som en blind mann og en elefant.
Fordi nålen ikke kan komme inn i interiøret, både STM og AFM kan bare «se» atomene på overflaten. For å se det indre trenger vi noe som kan trenge gjennom prøvene, med en bølgelengde som kan sammenlignes med atomene, for eksempel elektroner med høy energi eller fotoner (røntgenstråler).
Elektronmikroskopi (EM)
Egentlig kan vi se atomer via EM, forutsatt at elektronet bjelker er av tilstrekkelig høy kvalitet (dvs. utsendelsen er lav), noe som er mulig med fremkomsten av feltutslipp elektronkanoner. Bildet over er et TEM-mikrografi av grafener.
Dessverre, selv om TEM er et kraftig verktøy, kan det ikke se 3D-strukturene til biomolekyler som proteiner. Årsaken er at biomolekyler er mye mer skjøre enn grafener (som er de vanskeligste materialene i verden!), Noe som gjør dem lett skadet av høynergi-elektronene før vi kan hente ut nok informasjon.
Røntgenkrystallografi (XRD)
XRD er det første verktøyet noensinne som gjorde det mulig for oss å se 3D-strukturer av proteiner, og er fortsatt den primære måten å bestemme strukturen på biomolekyler på. Diffraksjon av røntgen av krystaller har lenge blitt lagt merke til av forskere tidlig på 1900-tallet. Årsaken er at røntgenstråler er spredt svakt av elektroner i atomene. Men fordi bølgelengden til røntgenstråler (~ 1 Å) er sammenlignbar med atomer, fungerer det periodiske arrangementet av atomer i krystaller som et Diffraksjonsgitter , som i stor grad forsterket gjenopptakelsen i visse retninger ( Braggs lov ). Ved å analysere diffraksjonsmønstrene kan vi rekonstruere elektronet tetthetskart , og derav krystallstrukturene.
Selv om Braggs lov ble oppdaget på 1910-tallet, det tok nesten et halvt århundre å løse den første proteinstrukturen på grunn av den dårlige beregningskraften på den tiden, som bare var tilstrekkelig til å løse strukturer så enkle som bordsaltet. For å løse proteinstrukturer, må vi gjøre dem til krystaller ved å ordne milliarder kopier i periodiske strukturer, et trinn kalt “ krystallisering ”. Som elektronstråler blir proteiner sterkt skadet av røntgenstråler. Som et resultat teinkrystaller blir avkjølt til kryogen temperatur, noe som gjør dem mye “vanskeligere” (tusen ganger), og den gjennomsnittlige strålingskraften som mottas av hvert protein holdes på et veldig lavt nivå. Hvis krystallene er tilstrekkelig store, kan de fremdeles gi et sterkt diffraksjonsmønster. Å finne de egnede forholdene for krystallisering er ikke en triviell oppgave, og krystallisering av store, komplekse eller transmembranproteiner er fremdeles en utfordring til dags dato.
Elektronkryomikroskopi (Cryo -EM)
Cryo-EM er et lovende verktøy innen strukturbiologi, da det ikke krever hastighetsbegrensende krystalliseringstrinn, som gir potensialet for å løse de mest ildfaste proteiner. I likhet med XRD, unngår Cryo-EM strålingsskader ved kryogen kjøling og senking av dosen. Proteinene er suspendert i en tynn film med vann, som raskt dyppes i flytende etan avkjølt av flytende nitrogen. Fordi frysingen er så rask, dannes ikke iskrystaller. I stedet er proteinene og vannmolekylene bokstavelig talt ”innrammet”. Fordi proteinene blir fremstilt som suspensjoner i stedet for krystaller, kan de ta en naturlig konfigurasjon i stedet for en stiv form i krystaller.
Hvert protein er avbildet av svært lav dose elektroner. Fordi doseringen er lav, oppnås bare uskarpe skygger. Imidlertid, ved å beregne et antall bilder (med «tallrike» mener jeg en million) ved hjelp av datamaskinalgoritmer, kan vi avgrense bildet til atomoppløsning. Fordi proteiner er tilfeldig orientert i suspensjoner, er det behov for sofistikerte algoritmer for å justere disse bildene. Imidlertid er bildene av mindre proteiner for små til å justere, noe som setter en nedre grense (~ 200 kDa) på størrelsen på proteiner som løses av Cryo-EM.
For mer informasjon, se En Nobel for Cryo-EM
En annen fremvoksende teknikk er Røntgenfri elektronlaser (XFEL) . XFEL genererer ekstremt kraftige røntgenstråler ti størrelsesordener lysere enn noen røntgenlyskilder, med en varighet ned til femtosekund. Fordi røntgenpulsene er ekstremt korte, kan de fange proteinstrukturene før de flyr fra hverandre (såkalt “diffraksjon før ødeleggelse”). En slik tilnærming har potensial til å løse proteinstrukturene ved romtemperatur i deres aktive tilstander, ved å bruke svært små krystaller eller til og med uten krystaller. Imidlertid er det behov for en hel haug med forskning for å realisere det fulle potensialet.
Det bør bemerkes at selv om begge røntgenbilder og elektronstråler kan løse atomstrukturene, det er en subtil forskjell https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Fordi røntgenstråler er fotoner, som samhandler direkte med elektriske ladninger (husk at fotoner er bærere av elektromagnetisk kraft), er røntgenstråler som avsløres bona fide elektrontetthet kart (fordi elektroner er mye lettere enn atomkjerner). Elektroner OTOH er ladede partikler, som interagerer med atomer indirekte via elektriske felt. Som et resultat gjenspeiler Cryo-EM faktisk fordelingen av elektrisk potensial i stedet for elektronskyer (som dessverre er betegnet som «tetthetskart»). En av konsekvensene er at atomer og ioner er nesten identiske under røntgenstråler på grunn av deres like størrelse og elektrontetthet, men radikalt forskjellige under elektronmikroskop fordi ioner blir ladet mens atomer ikke er det.For eksempel er protonerte karboksylgrupper (—COOH) identiske med deprotonerte karboksyler (—COO-) i XRD, fordi hydrogenionet er usynlig under røntgenstråler. Men fordi deprotonerte karboksyler har en negativ ladning, skiller de seg lett fra protonerte under elektronmikroskop. Som et resultat har Cryo-EM potensialet til å avsløre noen detaljer som er usynlige for røntgenstråler.