Najlepsza odpowiedź
Najpotężniejszy mikroskop na świecie, który znajduje się w specjalnie skonstruowanym pomieszczeniu na Uniwersytecie Victoria, została już w pełni zmontowana i przetestowana i ma szereg naukowców i firm, które chcą z niej korzystać.
Siedmiotonowy, 4,5-metrowy skaningowy transmisyjny mikroskop holograficzny lub STEHM, pierwszy taki mikroskop tego typu na świecie, przyjechał na uniwersytet w częściach w zeszłym roku.
Zespół z Hitachi, który skonstruował ultra-stabilny instrument o ultrawysokiej rozdzielczości, spędził rok na żmudnym montażu STEHM w starannie kontrolowane laboratorium w piwnicy Centrum Boba Wrighta.
STEHM będzie używany przez lokalnych, regionalnych, krajowych i międzynarodowych naukowców i inżynierów do wielu projektów badawczych mających znaczenie dla rozwoju ludzkości. mikroskop o rozdzielczości 35 pikometrów.
Jeden pikometr to tr jedna dziesiąta metra. Ta rozdzielczość jest znacznie lepsza niż poprzednie najlepsze zdjęcie z rozdzielczością 49 pikometrów wykonaną w Lawrence Berkley National Laboratory w Kalifornii i jest około 20 milionów razy większa od ludzkiego wzroku.
STEHM pozwala badaczom zobaczyć atomy w nigdy wcześniej nie było to możliwe. Posiada pełne możliwości analityczne, które mogą określać rodzaje i liczbę lub występujących pierwiastków, a także kamery o wysokiej rozdzielczości do zbierania danych.
Będzie używany przez badaczy wielu dyscyplin naukowych i inżynierskich do projektów wymagających znajomości małych struktury w skali atomowej lub nanonauka i nanotechnologia. Chętnie z niego korzystają również lokalni naukowcy i firmy.
New York Microscope Company , która produkuje półprzewodnikowe detektory promieniowania o wysokiej rozdzielczości, które są używane w takich takie rzeczy jak kardiologia nuklearna, tomografia komputerowa, skanowanie bagażu i wykrywanie brudnej bomby czekały na otwarcie STEHM na badania i rozwój firmy.
Mikroskop STEHM jest wspierany przez 9,2 miliona dolarów dofinansowania z rząd Kanady za pośrednictwem Canadian Foundation for Innovation, BC Knowledge Development Fund i UVic, a także znaczące wsparcie rzeczowe od Hitachi.
Odpowiedź
Większość atomów to 1 ~ 2 angstremów (Å) o średnicy, która jest o 3 rzędy wielkości poniżej długości fal światła widzialnego. Jeśli chcemy zobaczyć, jak wyglądają atomy, musimy skorzystać z radykalnie różnych podejść.
Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)
STM to pierwsze urządzenia, które są w stanie bezpośrednio „widzieć” atomy. STM używa bardzo cienkiej igły do sondowania próbki. Końcówka igły to pojedynczy atom. Kiedy końcówka i powierzchnia próbki są oddalone od siebie mniej niż atom, elektrony mogą przechodzić przez szczelinę. Ponieważ prawdopodobieństwo kwantowego tunelowania spada wykładniczo wraz z odległością, prąd tunelowania jest bardzo wrażliwy na szerokość szczeliny, która może ujawnić szczegóły aż do pojedynczych atomów.
Jednym z ograniczeń STM jest to, że próbka muszą być przewodnikami. W rezultacie STM może „widzieć” tylko metale i inne materiały przewodzące, ale nie szkło ani polimery.
Mikroskopia sił atomowych (AFM)
Jednym ze sposobów obejścia tego problemu jest użycie AFM. Podobnie jak STM, AFM również używa igły do badania powierzchni. Pomimo swojej wymyślnej nazwy, jego mechanizm brzmi znacznie bardziej „trywialnie”. Zamiast mierzyć prądy tunelowe, AFM nawiązuje bezpośredni kontakt z powierzchnią i mierzy niewielki odpychanie między dwoma atomami! W tym sensie AFM właściwie nie „widział” atomów, ale „czuje” je jak ślepiec i słoń.
Ponieważ igła nie może dostać się do wnętrza, zarówno STM, jak i AFM może tylko „widzieć” atomy na powierzchni. Aby zobaczyć wnętrze, potrzebujemy czegoś, co może penetrować próbki, o długości fali porównywalnej z atomami, na przykład elektronów lub fotonów o wysokiej energii (promieniowanie rentgenowskie).
Mikroskopia elektronowa (EM)
W rzeczywistości możemy zobaczyć atomy poprzez EM, pod warunkiem, że elektron wiązki mają dostatecznie wysoką jakość (tj. emisja jest niska), co jest możliwe wraz z pojawieniem się polowych wyrzutni elektronowych. Powyższe zdjęcie jest mikrografią grafenów TEM.
Niestety, chociaż TEM jest potężnym narzędziem, nie widzi trójwymiarowych struktur biomolekuł, takich jak białka. Powodem jest to, że biomolekuły są znacznie bardziej kruche niż grafeny (które są najtwardszymi materiałami na świecie!), Co sprawia, że są one łatwo uszkodzone przez elektrony o wysokiej energii, zanim będziemy mogli wydobyć wystarczającą ilość informacji.
Krystalografia rentgenowska (XRD)
XRD to pierwsze w historii narzędzie, które umożliwiło nam zobaczenie trójwymiarowej struktury białek i pozostaje głównym sposobem określania struktury biocząsteczek. Dyfrakcja promieni rentgenowskich na kryształach została od dawna zauważona przez badaczy na początku XX wieku. Powodem jest to, że promienie rentgenowskie są słabo rozpraszane przez elektrony w atomach. Jednak ponieważ długość fali promieni rentgenowskich (~ 1 Å) jest porównywalna z atomami, okresowe rozmieszczenie atomów w kryształach działa jak Siatka dyfrakcyjna , która bardzo zwiększył reemisję w określonych kierunkach ( prawo Bragga ). Analizując wzory dyfrakcyjne, możemy zrekonstruować elektron mapy gęstości , a tym samym struktury kryształów.
Chociaż prawo Bragga zostało odkryte w 1910 roku, Prawie pół wieku zajęło rozwiązanie pierwszej struktury białka ze względu na słabą moc obliczeniową w tamtym czasie, która wystarczała tylko do rozwiązania struktur tak prostych jak sól kuchenna. Aby rozwiązać struktury białek, musimy przekształcić je w kryształy, układając miliardy kopii w struktury okresowe, krok określany jako „ krystalizacja ”. Podobnie jak wiązki elektronów, białka są silnie uszkadzane przez promieniowanie rentgenowskie. Kryształy teiny są schładzane do temperatury kriogenicznej, co czyni je znacznie „twardszymi” (tysiąckrotnie), a średnia moc promieniowania odbierana przez każde białko jest utrzymywana na bardzo niskim poziomie. Jeśli kryształy są wystarczająco duże, nadal mogą powodować powstanie silnego obrazu dyfrakcyjnego. Znalezienie odpowiednich warunków do krystalizacji nie jest łatwym zadaniem, a krystalizacja dużych, złożonych lub transbłonowych białek pozostaje wyzwaniem do tej pory.
Kriomikroskopia elektronowa (krio -EM)
Cryo-EM jest obiecującym narzędziem w biologii strukturalnej, ponieważ nie wymaga etap krystalizacji ograniczający szybkość, który daje możliwość rozwiązania najbardziej opornych białek. Podobnie jak XRD, Cryo-EM pozwala uniknąć uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem poprzez chłodzenie kriogeniczne i obniżenie dawki. Białka są zawieszone w cienkiej warstwie wody, którą szybko zanurza się w ciekłym etanie chłodzonym ciekłym azotem. Ponieważ zamrażanie jest tak szybkie, kryształki lodu nawet się nie tworzą. Zamiast tego białka i cząsteczki wody są dosłownie „zamrożone”. Ponieważ białka są przygotowywane jako zawiesiny zamiast kryształów, mogą one przyjąć natywną konfigurację zamiast sztywnego kształtu w kryształach.
Każde białko jest obrazowane przez bardzo małą dawkę elektronów. Ponieważ dozowanie jest niskie, uzyskuje się tylko rozmyte cienie. Jednak uśredniając wiele obrazów (przez „liczne” mam na myśli milion) za pomocą algorytmów komputerowych, możemy udoskonalić obraz do rozdzielczości atomowej. Ponieważ białka w zawiesinach są losowo zorientowane, potrzebne są zaawansowane algorytmy do ponownego ustawienia tych obrazów. Jednak obrazy mniejszych białek są zbyt małe, aby je wyrównać, co powoduje dolną granicę (~ 200 kDa) dla rozmiarów białek rozwiązywanych przez Cryo-EM.
Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Nobel w dziedzinie Cryo-EM
Kolejną pojawiającą się techniką jest Laser rentgenowski na swobodnych elektronach (XFEL) . XFEL generuje niezwykle silne wiązki promieni rentgenowskich o dziesięć rzędów wielkości jaśniejsze niż jakiekolwiek źródła promieniowania rentgenowskiego, o czasie trwania do femtosekundy. Ponieważ impulsy promieniowania rentgenowskiego są niezwykle krótkie, mogą uchwycić struktury białek, zanim się rozpadną (tzw. „Dyfrakcja przed zniszczeniem”). Takie podejście ma potencjał do rozwiązywania struktur białek w temperaturze pokojowej w ich stanach aktywnych, przy użyciu bardzo małych kryształów lub nawet bez kryształów. Jednak potrzeba wielu badań, aby w pełni wykorzystać jego potencjał.
Należy zauważyć, że chociaż oba zdjęcia rentgenowskie a wiązki elektronów mogą rozwiązać struktury atomowe, istnieje subtelna różnica https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Ponieważ promienie rentgenowskie to fotony, które oddziałują bezpośrednio z ładunkami elektrycznymi (pamiętaj, że fotony są nośnikami siły elektromagnetycznej), ujawnione promieniowanie X to bona fide mapy (ponieważ elektrony są dużo lżejsze niż jądra atomowe). Elektrony OTOH to naładowane cząstki, które oddziałują z atomami pośrednio za pośrednictwem pól elektrycznych. W rezultacie Cryo-EM w rzeczywistości odzwierciedla rozkład potencjału elektrycznego zamiast chmur elektronowych (co niestety jest błędnie nazywane „mapami gęstości”). Jedną z konsekwencji jest to, że atomy i jony są prawie identyczne w promieniowaniu rentgenowskim ze względu na ich podobne rozmiary i gęstości elektronów, ale radykalnie różnią się pod mikroskopem elektronowym, ponieważ jony są naładowane, podczas gdy atomy nie.Na przykład protonowane grupy karboksylowe (-COOH) są identyczne z deprotonowanymi karboksylami (-COO-) w XRD, ponieważ jon wodorowy jest niewidoczny w promieniowaniu rentgenowskim. Jednakże, ponieważ deprotonowane karboksyle mają ładunek ujemny, można je łatwo odróżnić od protonowanych pod mikroskopem elektronowym. W rezultacie Cryo-EM może ujawnić pewne szczegóły niewidoczne dla promieni rentgenowskich.