Bästa svaret
Världens mest kraftfulla mikroskop, som finns i ett specialkonstruerat rum vid University of Victoria, är nu helt monterad och testad och har en rad forskare och företag som är angelägna om att använda den.
Det sju ton långa, 4,5 meter långa skanningstransmissionselektronholografimikroskopet eller STEHM, det första sådant mikroskopet av sin typ i världen, kom till universitetet i delar förra året.
Ett team från Hitachi, som konstruerade det ultrahöga upplösta, ultrastabila instrumentet, tillbringade ett år med noggrann montering av STEHM i en noggrant kontrollerat laboratorium i källaren på Bob Wright Center.
STEHM kommer att användas av lokala, regionala, nationella och internationella forskare och ingenjörer för en mängd forskningsprojekt som är relevanta för mänsklighetens utveckling. Guldatomer genom mikroskopet med en upplösning på 35 pikometrar.
En pikometer är en tr illion av en meter. Denna upplösning är mycket bättre än den tidigare bästa bilden med 49 pikometersupplösning som tagits vid Lawrence Berkley National Laboratory i Kalifornien och är cirka 20 miljoner gånger mänsklig syn.
STEHM tillåter forskare att se atomerna i en sätt som aldrig tidigare varit möjligt. Den har fullständiga analytiska förmågor som kan bestämma vilka typer och antal eller element som finns och högupplösta kameror för att samla in data.
Den kommer att användas av forskare inom många vetenskaps- och tekniska discipliner för projekt som kräver kunskap om små atomskalastrukturer eller nanovetenskap och nanoteknik. Lokala forskare och företag är också angelägna om att använda den.
New York Microscope Company som tillverkar högupplösta halvledarstrålningsdetektorer som används för sådana saker som kärnkardiologi, CT-skanning, bagagesökning och upptäckt av smutsiga bomber har väntat på att STEHM ska öppnas för företagets forskning och utveckling.
STEHM-mikroskopet stöds av 9,2 miljoner dollar i finansiering från Kanadas regering genom Canadian Foundation for Innovation, BC Knowledge Development Fund och UVic, liksom betydande naturligt stöd från Hitachi.
Svar
De flesta atomer är 1 ~ 2 Ångström (Å) i diameter, som är 3 storleksordningar under synliga ljusets våglängder. Om vi vill se hur atomer ser ut, måste vi tillgripa några radikalt olika tillvägagångssätt.
Skanningstunnelmikroskopi (STM)
STM är gran st enheter som kan ”se” atomerna direkt. STM använder en extremt tunn nål för att sonda provet. Nålspetsen är en enda atom. När spetsen och provets yta är mindre än en atom ifrån varandra kan elektroner tunnla genom springan. Eftersom sannolikheten för kvanttunnelning sjunker exponentiellt med avståndet är tunnelspänningsströmmen mycket känslig för bredden på gapet, vilket kan avslöja detaljerna ner till enstaka atomer.
En begränsning av STM är att provet måste vara ledare. Som ett resultat kan STM bara ”se” metaller och andra ledande material, men inte glasögon eller polymerer.
Atomkraftmikroskopi (AFM)
Ett sätt att komma runt problemet är att använda AFM. Liksom STM använder AFM också en nål för att sonda ytan. Trots sitt snygga namn låter dess mekanism mycket mer ”trivial”. Istället för att mäta tunnelströmmarna, kommer AFM att ta direkt kontakt med ytan och mäta den lilla avstötningen mellan två atomer! Så i den meningen ”såg” AFM faktiskt inte atomerna utan ”kände” dem som en blind man och en elefant.
Eftersom nålen inte kan komma in i interiören, både STM och AFM. kan bara ”se” atomerna på ytan. För att se inredningen behöver vi något som kan tränga igenom proverna, med en våglängd som är jämförbar med atomerna, såsom elektroner med hög energi eller fotoner (röntgenstrålar).
Elektronmikroskopi (EM)
Egentligen kan vi se atomer via EM, förutsatt att elektronen strålarna är av tillräckligt hög kvalitet (dvs. utsläppet är lågt), vilket är möjligt med tillkomsten av fältemissions elektronkanoner. Bilden ovan är ett TEM-mikrografi av grafener.
Tyvärr, även om TEM är ett kraftfullt verktyg, kan det inte se 3D-strukturer för biomolekyler som proteiner. Anledningen är att biomolekyler är mycket mer ömtåliga än grafener (vilket är de svåraste materialen i världen!), Vilket gör att de lätt skadas av elektronerna med hög energi innan vi kan extrahera tillräckligt med information.
Röntgenkristallografi (XRD)
XRD är det första verktyget någonsin som gjorde det möjligt för oss att se 3D-strukturer av proteiner, och förblir det primära sättet att strukturbestämma biomolekyler. Diffraktion av röntgen genom kristaller har länge noterats av forskare i början av 1900-talet. Anledningen är att röntgenstrålar sprids svagt av elektroner i atomerna. Eftersom röntgenstrålarnas våglängd (~ 1 Å) är jämförbar med atomer, fungerar det periodiska arrangemanget av atomer i kristaller som ett Diffraktionsgitter , vilket kraftigt ökade återtagandet i vissa riktningar ( Braggs lag ). Genom att analysera diffraktionsmönstren kan vi rekonstruera elektronen densitetskartor och därmed kristallstrukturerna.
Även om Braggs lag upptäcktes på 1910-talet, det tog nästan ett halvt sekel att lösa den första proteinstrukturen på grund av den dåliga beräkningskraften vid den tiden, som bara var tillräcklig för att lösa strukturer så enkla som bordssaltet. För att lösa proteinstrukturer måste vi göra dem till kristaller genom att ordna miljarder kopior till periodiska strukturer, ett steg benämnt “ kristallisering ”. Precis som elektronstrålar skadas proteiner starkt av röntgenstrålar. Som ett resultat teinkristaller kyls till kryogen temperatur, vilket gör dem mycket ”hårdare” (tusen gånger), och den genomsnittliga strålningseffekten som mottas av varje protein hålls på en mycket låg nivå. Om kristallerna är tillräckligt stora kan de ändå ge upphov till ett starkt diffraktionsmönster. Att hitta lämpliga förutsättningar för kristallisering är inte en trivial uppgift, och kristallisering av stora, komplexa eller transmembranproteiner är fortfarande en utmaning hittills.
Elektronkryomikroskopi (Cryo -EM)
Cryo-EM är ett lovande verktyg inom strukturbiologi, eftersom det inte kräver hastighetsbegränsande kristallisationssteg, vilket ger potentialen att lösa de mest eldfasta proteinerna. Precis som XRD undviker Cryo-EM strålningsskador genom kryogen kylning och sänkning av dosen. Proteinerna suspenderas i en tunn vattenfilm, som snabbt doppas i flytande etan kyld av flytande kväve. Eftersom frysningen är så snabb bildas inte ens iskristaller. Istället är proteinerna och vattenmolekylerna bokstavligen ”inramade”. Eftersom proteinerna framställs som suspensioner istället för kristaller, kan de anta en naturlig konfiguration istället för en stel form i kristaller.
Varje protein avbildas av mycket låg dos elektroner. Eftersom dosen är låg erhålls endast suddiga skuggor. Men genom att ta ett medelvärde av många bilder (med ”många” menar jag en miljon) med hjälp av datoralgoritmer kan vi förfina bilden till atomupplösning. Eftersom proteiner är slumpmässigt orienterade i suspensioner behövs sofistikerade algoritmer för att justera dessa bilder. Bilderna av mindre proteiner är emellertid för små för att kunna justeras om, vilket sätter en nedre gräns (~ 200 kDa) på storleken på proteiner som löses av Cryo-EM.
För mer information, se Nobel för Cryo-EM
En annan framväxande teknik är Röntgenfri elektronlaser (XFEL) . XFEL genererar extremt kraftfulla röntgenstrålar tio storleksordningar ljusare än någon röntgenljuskälla, med en varaktighet ner till femtosekund. Eftersom röntgenpulserna är extremt korta kan de fånga upp proteinstrukturerna innan de flyger ifrån varandra (så kallad ”diffraktion före förstörelse”). Ett sådant tillvägagångssätt har potential att lösa proteinstrukturerna vid rumstemperatur i deras aktiva tillstånd, med användning av mycket små kristaller eller till och med utan kristaller. Men det behövs en hel massa forskning för att förverkliga dess fulla potential.
Det bör noteras att även om båda röntgenbilderna och elektronstrålar kan lösa atomstrukturerna, det finns en subtil skillnadhttps: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Eftersom röntgenstrålar är fotoner som interagerar direkt med elektriska laddningar (kom ihåg att fotoner är bärare av elektromagnetisk kraft), vilka röntgenstrålar som avslöjas är bona fide elektrontäthet kartor (eftersom elektroner är mycket lättare än atomkärnor). Elektroner OTOH är laddade partiklar som interagerar med atomer indirekt via elektriska fält. Som ett resultat avspeglar Cryo-EM faktiskt fördelningen av elektrisk potential istället för elektronmoln (vilket tyvärr missnamnas som ”densitetskartor”). En av konsekvenserna är att atomer och joner är nästan identiska under röntgenstrålar på grund av deras liknande storlekar och elektrontäthet, men radikalt olika under elektronmikroskop, eftersom joner laddas medan atomer inte är det.Till exempel är protonerade karboxylgrupper (—COOH) identiska med deprotonerade karboxyler (—COO-) i XRD, eftersom vätejonen är osynlig under röntgenstrålar. Men eftersom deprotonerade karboxyler har en negativ laddning, skiljer de sig lätt från protonerade under elektronmikroskop. Som ett resultat har Cryo-EM potential att avslöja några detaljer som är osynliga för röntgenstrålar.