Melhor resposta
O microscópio mais poderoso do mundo, que reside em uma sala especialmente construída na Universidade de Victoria, agora foi totalmente montado e testado, e tem uma linha de cientistas e empresas ansiosas para usá-lo.
O microscópio de holografia de transmissão eletrônica de varredura de sete toneladas e 4,5 metros de altura ou STEHM, o primeiro microscópio desse tipo desse tipo no mundo, veio para a universidade em partes no ano passado.
Uma equipe da Hitachi, que construiu o instrumento ultra-estável e de ultra alta resolução, passou um ano meticulosamente montando o STEHM em um laboratório controlado no porão do Bob Wright Center.
O STEHM será usado por cientistas e engenheiros locais, regionais, nacionais e internacionais para uma infinidade de projetos de pesquisa relevantes para o avanço da humanidade. Átomos de ouro até o microscópio com uma resolução de 35 picômetros.
Um picômetro é um tr milionésimo de metro. Esta resolução é muito melhor do que a melhor imagem anterior com resolução de 49 picômetros tirada no Laboratório Nacional Lawrence Berkley, na Califórnia, e é cerca de 20 milhões de vezes a visão humana.
O STEHM permite que os pesquisadores vejam os átomos em um maneira nunca antes possível. Ele tem recursos analíticos completos que podem determinar os tipos e número ou elementos presentes, e câmeras de alta resolução para a coleta de dados.
Será usado por pesquisadores de muitas disciplinas de ciência e engenharia para projetos que exigem conhecimento de pequenos estruturas em escala atômica ou nanociência e nanotecnologia. Cientistas e empresas locais também estão ansiosos para usá-lo.
New York Microscope Company que fabrica detectores de radiação semicondutores de alta resolução usados para tal coisas como cardiologia nuclear, tomografia computadorizada, varredura de bagagem e detecção de bomba suja estão aguardando a abertura do STEHM para pesquisa e desenvolvimento da empresa.
O microscópio STEHM recebe US $ 9,2 milhões em financiamento de o governo do Canadá por meio da Fundação Canadense para Inovação, o Fundo de Desenvolvimento de Conhecimento BC e UVic, bem como apoio significativo em espécie da Hitachi.
Resposta
A maioria dos átomos são 1 ~ 2 angstroms (Å) de diâmetro, que é 3 ordens de magnitude abaixo dos comprimentos de onda das luzes visíveis. Se quisermos ver como os átomos se parecem, precisamos recorrer a algumas abordagens radicalmente diferentes.
Microscopia de tunelamento de varredura (STM)
STM são os primeiros st dispositivos que são capazes de “ver” os átomos diretamente. O STM usa uma agulha extremamente fina para sondar a amostra. A ponta da agulha é um único átomo. Quando a ponta e a superfície da amostra estão separadas por menos de um átomo, os elétrons podem criar um túnel através da lacuna. Como a probabilidade de tunelamento quântico cai exponencialmente com a distância, a corrente de tunelamento é muito sensível à largura da lacuna, o que pode revelar os detalhes até átomos individuais.
Uma limitação do STM é que a amostra devem ser condutores. Como resultado, o STM só pode “ver” metais e outros materiais condutores, mas não vidros ou polímeros.
Microscopia de força atômica (AFM)
Uma maneira de contornar o problema é usando AFM. Como o STM, o AFM também usa uma agulha para sondar a superfície. Apesar do nome chique, seu mecanismo soa muito mais “trivial”. Em vez de medir as correntes de tunelamento, o AFM faz um contato direto com a superfície e mede a minúscula repulsão entre dois átomos! Nesse sentido, o AFM não “viu” os átomos, mas os “sentiu” como um cego e um elefante.
Porque a agulha não pode entrar no interior, tanto o STM quanto o AFM só pode “ver” os átomos na superfície. Para ver o interior, precisamos de algo que possa penetrar nas amostras, com um comprimento de onda comparável ao dos átomos, como elétrons ou fótons de alta energia (raios X).
Microscopia eletrônica (EM)
Na verdade, podemos ver átomos via EM, desde que o elétron os feixes são de qualidade suficientemente alta (isto é, a emitância é baixa), o que é possível com o advento dos canhões de elétrons de emissão de campo. A imagem acima é uma micrografia TEM de grafenos.
Infelizmente, embora TEM seja uma ferramenta poderosa, ela não pode ver as estruturas 3D de biomoléculas como proteínas. A razão é que as biomoléculas são muito mais frágeis do que os grafenos (que são os materiais mais duros do mundo!), O que as torna facilmente danificadas pelos elétrons de alta energia antes que possamos extrair informações suficientes.
Cristalografia de raios X (XRD)
O XRD é a primeira ferramenta que nos permitiu ver as estruturas 3D das proteínas e continua sendo a principal forma de determinação da estrutura das biomoléculas. A difração de raios-X por cristais já foi notada por pesquisadores no início do século XX. A razão é que os raios X são dispersos fracamente por elétrons nos átomos. No entanto, como o comprimento de onda dos raios X (~ 1 Å) é comparável aos átomos, o arranjo periódico dos átomos nos cristais age como uma rede de difração , que muito aumentou a reemissão em certas direções ( lei de Bragg “). Ao analisar os padrões de difração, podemos reconstruir o elétron mapas de densidade e, portanto, as estruturas de cristal.
Embora a lei de Bragg tenha sido descoberta em 1910, levou quase meio século para resolver a primeira estrutura de proteína devido ao fraco poder computacional da época, que só era suficiente para resolver estruturas tão simples como o sal de mesa. Para resolver as estruturas das proteínas, precisamos transformá-las em cristais, organizando bilhões de cópias em estruturas periódicas, uma etapa denominada “ cristalização ”. Como os feixes de elétrons, as proteínas são fortemente danificadas pelos raios X. Como resultado, o profissional os cristais de teína são resfriados à temperatura criogênica, o que os torna muito “mais duros” (em mil vezes), e a potência média de radiação recebida por cada proteína é mantida em um nível muito baixo. Se os cristais forem suficientemente grandes, eles ainda podem originar um forte padrão de difração. Encontrar as condições adequadas para a cristalização não é uma tarefa trivial, e a cristalização de proteínas grandes, complexas ou transmembrana permanece um desafio até o momento.
Criocroscopia de elétrons (Cryo -EM)
O Cryo-EM é uma ferramenta promissora em biologia estrutural, pois não requer o etapa de cristalização de limitação de taxa, que confere o potencial para resolver as proteínas mais refratárias. Como o XRD, o Cryo-EM evita os danos da radiação por meio do resfriamento criogênico e da redução da dosagem. As proteínas são suspensas em uma fina película de água, que é rapidamente mergulhada em etano líquido resfriado por nitrogênio líquido. Porque o congelamento é tão rápido, os cristais de gelo nem mesmo se formam. Em vez disso, as proteínas e moléculas de água são literalmente “congeladas”. Como as proteínas são preparadas como suspensões em vez de cristais, elas podem adotar uma configuração nativa em vez de uma forma rígida nos cristais.
Cada proteína é visualizada por uma dose muito baixa de elétrons. Como a dosagem é baixa, apenas sombras borradas são obtidas. No entanto, calculando a média de várias imagens (por “numerosas” quero dizer um milhão) usando algoritmos de computador, podemos refinar a imagem para resolução atômica. Como as proteínas são orientadas aleatoriamente em suspensões, algoritmos sofisticados são necessários para realinhar essas imagens. No entanto, as imagens de proteínas menores são muito pequenas para realinhar, o que impõe um limite inferior (~ 200 kDa) aos tamanhos das proteínas sendo resolvidas pelo Cryo-EM.
Para obter mais informações, consulte Um Nobel de Cryo-EM
Outra técnica emergente é Laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) . O XFEL gera feixes de raios-X extremamente poderosos dez ordens de magnitude mais brilhantes do que qualquer fonte de luz de raios-X, com duração de até um femtossegundo. Como os pulsos de raios-X são extremamente curtos, eles podem capturar as estruturas das proteínas antes que se separem (o chamado “difração antes da destruição”). Tal abordagem tem o potencial de resolver as estruturas proteicas à temperatura ambiente em seus estados ativos, utilizando cristais muito pequenos ou mesmo sem cristais. No entanto, muitas pesquisas são necessárias para atingir todo o seu potencial.
Deve-se notar que, embora ambos os raios-X e feixes de elétrons podem resolver as estruturas atômicas, há uma diferença sutilhttps: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Como os raios X são fótons, que interagem diretamente com cargas elétricas (lembre-se, os fótons são portadores de força eletromagnética), o que os raios X revelam são genuína densidade de elétrons mapas (porque os elétrons são muito mais leves que os núcleos atômicos). Os elétrons OTOH são partículas carregadas, que interagem com os átomos indiretamente por meio de campos elétricos. Como resultado, o Cryo-EM na verdade reflete a distribuição de potencial elétrico em vez de nuvens de elétrons (que infelizmente são erroneamente chamadas de “mapas de densidade”). Uma das consequências é que átomos e íons são quase idênticos sob os raios X devido aos seus tamanhos e densidades eletrônicas semelhantes, mas radicalmente diferentes sob os microscópios eletrônicos porque os íons são carregados enquanto os átomos não.Por exemplo, os grupos carboxila protonados (-COOH) são idênticos aos carboxilas desprotonados (-COO-) no XRD, porque o íon hidrogênio é invisível sob os raios-X. No entanto, como os carboxilos desprotonados carregam uma carga negativa, eles são facilmente distinguidos dos protonados em microscópios eletrônicos. Como resultado, o Cryo-EM tem o potencial de revelar alguns detalhes invisíveis aos raios X.