Beste antwoord
De krachtigste microscoop ter wereld, die zich bevindt in een speciaal geconstrueerde kamer aan de Universiteit van Victoria, is nu volledig geassembleerd en getest, en heeft een reeks wetenschappers en bedrijven die er graag gebruik van maken.
De zeven ton zware, 4,5 meter hoge Scanning Transmissie-elektronenholografie-microscoop of STEHM, de eerste dergelijke microscoop van zijn soort in de wereld, kwam vorig jaar in delen naar de universiteit.
Een team van Hitachi, dat het ultrahoge resolutie, ultrastabiele instrument bouwde, heeft een jaar besteed aan het nauwgezet in elkaar zetten van de STEHM in een zorgvuldig gecontroleerd laboratorium in de kelder van het Bob Wright Center.
De STEHM zal worden gebruikt door lokale, regionale, nationale en internationale wetenschappers en ingenieurs voor een overvloed aan onderzoeksprojecten die relevant zijn voor de vooruitgang van de mensheid. Goudatomen door microscoop met een resolutie van 35 picometer.
Een picometer is een tr illionth van een meter. Deze resolutie is veel beter dan de vorige beste afbeelding met een resolutie van 49 picometer, genomen in het Lawrence Berkley National Laboratory in Californië, en is ongeveer 20 miljoen keer het menselijk zicht.
Met STEHM kunnen onderzoekers de atomen in een manier nooit eerder mogelijk. Het heeft volledige analytische mogelijkheden die de typen en het aantal aanwezige elementen kunnen bepalen, en cameras met een hoge resolutie voor het verzamelen van gegevens.
Het zal worden gebruikt door onderzoekers van vele wetenschappelijke en technische disciplines voor projecten die kennis van kleine atomaire schaalstructuren of nanowetenschap en nanotechnologie. Lokale wetenschappers en bedrijven maken er ook graag gebruik van.
New York Microscope Company dat halfgeleider-stralingsdetectoren met hoge resolutie produceert die voor dergelijke zaken als nucleaire cardiologie, CT-scanning, bagagescanning en vuile bomdetectie, wachtten op de opening van de STEHM voor het onderzoek en de ontwikkeling van het bedrijf.
De STEHM-microscoop wordt ondersteund door $ 9,2 miljoen aan financiering van de regering van Canada via de Canadian Foundation for Innovation, het BC Knowledge Development Fund en UVic, evenals aanzienlijke steun in natura van Hitachi.
Antwoord
De meeste atomen zijn 1 ~ 2 Angstroms (Å) in diameter, wat 3 orden van grootte onder de golflengten van zichtbaar licht is. Als we willen zien hoe atomen eruit zien, moeten we onze toevlucht nemen tot een aantal radicaal verschillende benaderingen.
Scanning tunneling microscopie (STM)
STM zijn de eerste e apparaten die de atomen rechtstreeks kunnen “zien”. STM gebruikt een extreem dunne naald om het monster te onderzoeken. De naaldpunt is een enkel atoom. Wanneer de punt en het oppervlak van het monster minder dan een atoom van elkaar verwijderd zijn, kunnen elektronen door de opening tunnelen. Omdat de kans op kwantumtunneling exponentieel afneemt met de afstand, is de tunnelstroom erg gevoelig voor de breedte van de opening, waardoor de details tot op enkele atomen kunnen worden onthuld.
Een beperking van STM is dat het monster moeten geleiders zijn. Als gevolg hiervan kan STM alleen metalen en andere geleidende materialen zien, maar geen glazen of polymeren.
Atomic force microscopy (AFM)
Een manier om het probleem te omzeilen, is door AFM te gebruiken. Net als STM gebruikt AFM ook een naald om het oppervlak te onderzoeken. Ondanks zijn mooie naam, klinkt zijn mechanisme veel “trivialer”. In plaats van de tunnelstromen te meten, maakt AFM direct contact met het oppervlak en meet ze de kleine afstoting tussen twee atomen! Dus in die zin heeft AFM de atomen niet echt gezien, maar gevoeld als een blinde man en een olifant.
Omdat de naald niet in het interieur kan komen, zijn zowel STM als AFM kan alleen de atomen op het oppervlak zien. Om het interieur te zien hebben we iets nodig dat de monsters kan penetreren, met een golflengte vergelijkbaar met de atomen, zoals hoogenergetische elektronen of fotonen (röntgenstralen).
Elektronenmicroscopie (EM)
Eigenlijk kunnen we atomen zien via EM, op voorwaarde dat het elektron bundels zijn van voldoende hoge kwaliteit (dwz de emittantie is laag), hetgeen mogelijk is met de komst van veldemissie-elektronenkanonnen. De bovenstaande afbeelding is een TEM-microfoto van grafenen.
Helaas, hoewel TEM een krachtig hulpmiddel is, kan het de 3D-structuren van biomoleculen zoals eiwitten niet zien. De reden is dat biomoleculen veel kwetsbaarder zijn dan grafenen (de hardste materialen ter wereld!), Waardoor ze gemakkelijk beschadigd raken door de hoogenergetische elektronen voordat we er genoeg informatie uit kunnen halen.
Röntgenkristallografie (XRD)
XRD is de allereerste tool die ons in staat stelde om de 3D-structuren van eiwitten te zien, en blijft de belangrijkste manier om de structuur van biomoleculen te bepalen. Diffractie van röntgenstralen door kristallen is al lang opgemerkt door onderzoekers in het begin van de 20e eeuw. De reden is dat röntgenstralen zwak worden verstrooid door elektronen in de atomen. Omdat de golflengte van röntgenstralen (~ 1 Å) echter vergelijkbaar is met atomen, werkt de periodieke rangschikking van atomen in kristallen als een diffractierooster , dat sterk vergroot de heruitstoot in bepaalde richtingen ( wet van Bragg ). Door de diffractiepatronen te analyseren, kunnen we het elektron dichtheidskaarten , en dus de kristalstructuren.
Hoewel de wet van Bragg in 1910 werd ontdekt, het kostte bijna een halve eeuw om de eerste eiwitstructuur op te lossen vanwege de slechte rekenkracht op dat moment, die alleen voldoende was om structuren op te lossen die zo eenvoudig waren als het keukenzout. Om eiwitstructuren op te lossen, moeten we ze in kristallen maken door ze te rangschikken miljarden kopieën in periodieke structuren, een stap genaamd “ kristallisatie “. Net als elektronenbundels worden proteïnen sterk beschadigd door röntgenstralen. teïnkristallen worden afgekoeld tot cryogene temperatuur, waardoor ze veel “harder” worden (duizendvoudig), en het gemiddelde stralingsvermogen dat door elk eiwit wordt ontvangen, wordt op een zeer laag niveau gehouden. Als de kristallen voldoende groot zijn, kunnen ze toch aanleiding geven tot een sterk diffractiepatroon. Het vinden van de geschikte omstandigheden voor kristallisatie is geen triviale taak, en kristallisatie van grote, complexe of transmembraaneiwitten blijft tot op heden een uitdaging.
Electron cryomicroscopy (Cryo -EM)
Cryo-EM is een veelbelovend hulpmiddel in structurele biologie, aangezien het de snelheidsbeperkende kristallisatiestap, die de mogelijkheid biedt om de meest vuurvaste eiwitten op te lossen. Net als XRD voorkomt Cryo-EM de stralingsschade door cryogene koeling en verlaging van de dosering. De eiwitten worden gesuspendeerd in een dunne film water, die snel wordt ondergedompeld in vloeibaar ethaan gekoeld door vloeibare stikstof. Omdat het vriezen zo snel gaat, vormen zich niet eens ijskristallen. In plaats daarvan worden de proteïnen en watermoleculen letterlijk “ingevroren”. Omdat de eiwitten worden bereid als suspensies in plaats van kristallen, kunnen ze een natuurlijke configuratie aannemen in plaats van een starre vorm in kristallen.
Elk eiwit wordt in beeld gebracht door een zeer lage dosis elektronen. Omdat de dosering laag is, worden alleen wazige schaduwen verkregen. Door echter een groot aantal afbeeldingen te middelen (met “talrijke” bedoel ik een miljoen) met behulp van computeralgoritmen, kunnen we de afbeelding verfijnen tot atomaire resolutie. Omdat eiwitten willekeurig in suspensies zijn georiënteerd, zijn geavanceerde algoritmen nodig om die afbeeldingen opnieuw uit te lijnen. De afbeeldingen van kleinere eiwitten zijn echter te klein om opnieuw uit te lijnen, wat een ondergrens (~ 200 kDa) geeft aan de grootte van de eiwitten die worden opgelost door Cryo-EM.
Voor meer informatie, zie Een Nobel voor Cryo-EM
Een andere opkomende techniek is Röntgenvrije elektronenlaser (XFEL) . XFEL genereert extreem krachtige röntgenbundels die tien ordes van grootte helderder zijn dan welke andere röntgenlichtbron dan ook, met een duur tot een femtoseconde. Omdat de röntgenimpulsen extreem kort zijn, kunnen ze de eiwitstructuren vangen voordat ze uit elkaar vliegen (de zogenaamde “diffractie vóór vernietiging”). Een dergelijke benadering heeft het potentieel om de eiwitstructuren bij kamertemperatuur in hun actieve toestand op te lossen, met behulp van zeer kleine kristallen of zelfs zonder kristallen. Er is echter heel wat onderzoek nodig om het volledige potentieel ervan te realiseren.
Opgemerkt moet worden dat hoewel beide röntgenfotos en elektronenbundels kunnen de atomaire structuren oplossen, is er een subtiel verschilhttps: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Omdat röntgenstralen fotonen zijn die rechtstreeks in wisselwerking staan met elektrische ladingen (onthoud dat fotonen dragers van elektromagnetische kracht zijn), zijn wat röntgenstralen onthulde bonafide elektronendichtheid kaarten (omdat elektronen veel lichter zijn dan atoomkernen). Elektronen OTOH zijn geladen deeltjes, die indirect via elektrische velden in wisselwerking staan met atomen. Het resultaat is dat de Cryo-EM feitelijk de verdeling van elektrisch potentieel weergeeft in plaats van elektronenwolken (die helaas ten onrechte “dichtheidskaarten” worden genoemd). Een van de gevolgen is dat atomen en ionen bijna identiek zijn onder röntgenstraling vanwege hun vergelijkbare afmetingen en elektronendichtheden, maar radicaal verschillend onder elektronenmicroscopen omdat ionen worden geladen terwijl atomen dat niet zijn.Zo zijn geprotoneerde carboxylgroepen (—COOH) identiek aan gedeprotoneerde carboxylgroepen (—COO-) in XRD, omdat het waterstofion onzichtbaar is onder röntgenstraling. Omdat gedeprotoneerde carboxylen echter een negatieve lading hebben, zijn ze onder elektronenmicroscopen gemakkelijk te onderscheiden van geprotoneerde carboxylen. Als gevolg hiervan heeft Cryo-EM het potentieel om enkele details te onthullen die onzichtbaar zijn voor röntgenstraling.