Cel mai bun răspuns
Cel mai puternic microscop din lume, care se află într-o cameră special construită de la Universitatea din Victoria, a fost acum complet asamblată și testată și are o gamă de oameni de știință și companii dornice să o folosească.
Microscopul de holografie electronică cu transmisie de scanare de șapte tone, înălțime de 4,5 metri sau STEHM, primul astfel de microscop de acest tip în lume, a venit la universitate parțial anul trecut.
O echipă de la Hitachi, care a construit instrumentul ultra-înalt rezoluțional, ultra-stabil, a petrecut un an asamblând cu atenție STEHM într-un laborator controlat în subsolul Centrului Bob Wright.
STEHM va fi utilizat de oamenii de știință și ingineri locali, regionali, naționali și internaționali pentru o multitudine de proiecte de cercetare relevante pentru progresul omenirii. Atomi de aur prin microscopul la o rezoluție de 35 picometri.
Un picometru este un tr ilionul unui metru. Această rezoluție este mult mai bună decât cea mai bună imagine anterioară, cu o rezoluție de 49 picometri luată la Laboratorul Național Lawrence Berkley din California și este de aproximativ 20 de milioane de ori vederea umană.
STEHM permite cercetătorilor să vadă atomii într-o maniera niciodată posibilă până acum. Are capacități analitice complete care pot determina tipurile și numărul sau elementele prezente și camere de înaltă rezoluție pentru colectarea datelor.
Va fi folosit de cercetătorii multor discipline științifice și inginerești pentru proiecte care necesită cunoștințe de mici dimensiuni. structuri la scară atomică sau nanoștiințe și nanotehnologie. Oamenii de știință și întreprinderile locale sunt, de asemenea, dornici să-l folosească.
Compania New York Microscope care produce detectoare de radiații semiconductoare de înaltă rezoluție care sunt utilizate pentru astfel de lucruri precum cardiologia nucleară, tomografia computerizată, scanarea bagajelor și detectarea bombelor murdare, așteaptă deschiderea STEHM pentru cercetarea și dezvoltarea companiei.
Microscopul STEHM este susținut cu finanțare de 9,2 milioane de dolari din guvernul Canadei prin Fundația canadiană pentru inovare, BC Knowledge Development Fund și UVic, precum și un sprijin semnificativ în natură de la Hitachi.
Răspuns
Majoritatea atomilor sunt 1 ~ 2 angstrom (Å) în diametru, care este cu 3 ordine de mărime sub lungimea de undă a luminilor vizibile. Dacă vrem să vedem cum arată atomii, trebuie să recurgem la unele abordări radical diferite.
Microscopie de scanare prin tunel (STM)
STM sunt bradul primele dispozitive care sunt capabile să „vadă” atomii direct. STM utilizează un ac extrem de subțire pentru a testa proba. Vârful acului este un singur atom. Când vârful și suprafața eșantionului sunt la mai puțin de un atom unul de celălalt, electronii se pot tunela prin spațiu. Deoarece probabilitatea tunelării cuantice scade exponențial cu distanța, curentul de tunelare este foarte sensibil la lățimea decalajului, care poate dezvălui detaliile până la atomi unici.
O limitare a STM este că eșantionul trebuie să fie dirijori. Drept urmare, STM poate „vedea” doar metale și alte materiale conductoare, dar nu și sticle sau polimeri.
Microscopie cu forță atomică (AFM)
O modalitate de a rezolva problema este folosirea AFM. La fel ca STM, AFM folosește și un ac pentru sondarea suprafeței. În ciuda numelui său elegant, mecanismul său sună mult mai „banal”. În loc să măsoare curenții tunelului, AFM face un contact direct cu suprafața și măsoară repulsia mică între doi atomi! Deci, în acest sens, AFM nu a „văzut” atomii, ci i-a „simțit” ca un orb și un elefant.
Deoarece acul nu poate intra în interior, atât STM, cât și AFM poate „vedea” doar atomii de la suprafață. Pentru a vedea interiorul avem nevoie de ceva care să poată pătrunde în probe, cu o lungime de undă comparabilă cu atomii, cum ar fi electroni cu energie ridicată sau fotoni (raze X).
Microscopie electronică (EM)
De fapt, putem vedea atomi prin EM, cu condiția ca electronul fasciculele sunt de o calitate suficient de ridicată (adică, emisia este redusă), ceea ce este posibil odată cu apariția pistolelor electronice cu emisie de câmp. Imaginea de mai sus este o micrografie TEM de grafeni.
Din păcate, deși TEM este un instrument puternic, nu poate vedea structurile 3D ale biomoleculelor, cum ar fi proteinele. Motivul este că biomoleculele sunt mult mai fragile decât grafenele (care sunt cele mai dure materiale din lume!), Ceea ce le face ușor deteriorate de electronii cu energie ridicată înainte de a putea extrage suficiente informații.
Cristalografie cu raze X (XRD)
XRD este primul instrument care ne-a permis să vedem structurile 3D ale proteinelor și rămâne modul principal de determinare a structurii biomoleculelor. Difracția razelor X de către cristale a fost observată de mult timp de cercetători la începutul secolului al XX-lea. Motivul este că razele X sunt slab împrăștiate de electroni în atomi. Cu toate acestea, deoarece lungimea de undă a razelor X (~ 1 Å) este comparabilă cu atomii, dispunerea periodică a atomilor în cristale acționează ca o grătare de difracție , care a mărit reemisia în anumite direcții ( legea lui Bragg ). Analizând tiparele de difracție, putem reconstitui electronul hărți de densitate și, prin urmare, structurile cristaline.
Deși legea lui Bragg a fost descoperită în anii 1910, a durat aproape o jumătate de secol pentru a rezolva prima structură proteică din cauza puterii de calcul slabe din acel moment, care era suficientă doar pentru a rezolva structuri la fel de simple ca sarea de masă. miliarde de copii în structuri periodice, un pas numit „ cristalizare ”. La fel ca fasciculele de electroni, proteinele sunt puternic deteriorate de razele X. Ca urmare, pro cristalele de tein sunt răcite la temperatura criogenică, ceea ce le face mult mai „greu” (de o mie de ori), iar puterea medie de radiație primită de fiecare proteină este menținută la un nivel foarte scăzut. Dacă cristalele sunt suficient de mari, ele pot da naștere la un tipar de difracție puternic. Găsirea condițiilor adecvate pentru cristalizare nu este o sarcină banală, iar cristalizarea proteinelor mari, complexe sau transmembranare rămâne o provocare până în prezent.
Criomicroscopie electronică (Cryo -EM)
Cryo-EM este un instrument promițător în biologia structurală, deoarece nu necesită etapa de cristalizare care limitează rata, care conferă potențialul de a rezolva cele mai refractare proteine. La fel ca XRD, Cryo-EM evită deteriorarea radiației prin răcire criogenică și scăderea dozei. Proteinele sunt suspendate într-o peliculă subțire de apă, care este scufundată rapid în etan lichid răcit de azot lichid. Deoarece înghețarea este atât de rapidă, nici cristalele de gheață nu se formează. În schimb, proteinele și moleculele de apă sunt literalmente „înghețate”. Deoarece proteinele sunt preparate ca suspensii în loc de cristale, ele pot adopta o configurație nativă în loc de o formă rigidă în cristale.
Fiecare proteină este reprezentată de o doză foarte mică de electroni. Deoarece doza este mică, se obțin doar umbre neclare. Cu toate acestea, prin media a numeroase imagini (prin „numeroase”, adică un milion) folosind algoritmi de calculator, putem rafina imaginea la rezoluția atomică. Deoarece proteinele sunt orientate aleatoriu în suspensii, sunt necesari algoritmi sofisticati pentru realinierea acelor imagini. Cu toate acestea, imaginile proteinelor mai mici sunt prea mici pentru realiniere, ceea ce pune o limită inferioară (~ 200 kDa) dimensiunilor proteinelor rezolvate de Cryo-EM.
Pentru mai multe informații, consultați Un Nobel pentru Cryo-EM
O altă tehnică emergentă este Laser cu electroni fără raze X (XFEL) . XFEL generează fascicule de raze X extrem de puternice, cu zece ordine de mărime mai luminoase decât orice surse de lumină cu raze X, cu o durată de până la o femtosecundă. Deoarece impulsurile de raze X sunt extrem de scurte, ele pot captura structurile proteice înainte de a zbura (așa-numita „difracție înainte de distrugere”). O astfel de abordare are potențialul de a rezolva structurile proteice la temperatura camerei în stările lor active, folosind cristale foarte mici sau chiar fără cristale. Cu toate acestea, este nevoie de o serie întreagă de cercetări pentru a-și realiza întregul potențial.
Trebuie remarcat faptul că, deși ambele raze X iar fasciculele de electroni pot rezolva structurile atomice, există o diferență subtilă http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Deoarece razele X sunt fotoni, care interacționează direct cu sarcinile electrice (amintiți-vă, fotonii sunt purtători de forță electromagnetică), ceea ce razele X dezvăluite sunt bona fide densitatea electronilor hărți (deoarece electronii sunt mult mai ușori decât nucleii atomici). Electronii OTOH sunt particule încărcate, care interacționează cu atomii indirect prin câmpuri electrice. Ca urmare, Cryo-EM reflectă de fapt distribuția potențialului electric în locul norilor de electroni (care din păcate este denumită greșit drept „hărți de densitate”). Una dintre consecințe este că atomii și ionii sunt aproape identici în raze X datorită dimensiunilor și densității lor electronice similare, dar radical diferiți la microscopul electronic, deoarece ionii sunt încărcați în timp ce atomii nu.De exemplu, grupările carboxil protonate (-COOH) sunt identice cu carboxilii deprotonați (-COO-) din XRD, deoarece ionul hidrogen este invizibil sub razele X. Cu toate acestea, deoarece carboxilii deprotonați au o sarcină negativă, se disting cu ușurință de cei protonați la microscopul electronic. Ca urmare, Cryo-EM are potențialul de a dezvălui câteva detalii invizibile pentru razele X.