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Das leistungsstärkste Mikroskop der Welt, das sich in einem speziell konstruierten Raum an der Universität von befindet Victoria wurde jetzt vollständig zusammengebaut und getestet und verfügt über eine Reihe von Wissenschaftlern und Unternehmen, die es gerne einsetzen.
Das sieben Tonnen schwere, 4,5 Meter hohe Raster-Transmissionselektronen-Holographiemikroskop oder STEHM, das erste derartige Mikroskop
Ein Team aus Hitachi, das das ultrahochauflösende, ultra-stabile Instrument konstruierte, verbrachte ein Jahr damit, das STEHM sorgfältig und sorgfältig zusammenzubauen kontrolliertes Labor im Keller des Bob Wright Centers.
Das STEHM wird von lokalen, regionalen, nationalen und internationalen Wissenschaftlern und Ingenieuren für eine Vielzahl von Forschungsprojekten verwendet, die für die Weiterentwicklung der Menschheit relevant sind. Goldatome durch das Mikroskop mit einer Auflösung von 35 Pikometern.
Ein Pikometer ist ein tr illionstel Meter. Diese Auflösung ist viel besser als das bisher beste Bild mit einer Auflösung von 49 Pikometern, die im Lawrence Berkley National Laboratory in Kalifornien aufgenommen wurde, und entspricht etwa dem 20-Millionen-fachen des menschlichen Sehvermögens.
Mit dem STEHM können Forscher die Atome in a sehen Weise nie zuvor möglich. Es verfügt über umfassende Analysefunktionen, mit denen die Art und Anzahl oder die vorhandenen Elemente bestimmt werden können, sowie über hochauflösende Kameras zum Sammeln von Daten.
Es wird von Forschern vieler wissenschaftlicher und technischer Disziplinen für Projekte verwendet, die Kenntnisse in kleinen Bereichen erfordern atomare Strukturen oder Nanowissenschaften und Nanotechnologie. Lokale Wissenschaftler und Unternehmen sind ebenfalls bestrebt, es zu verwenden.
New York Microscope Company , die hochauflösende Halbleiter-Strahlungsdetektoren herstellt, die für solche verwendet werden Dinge wie nukleare Kardiologie, CT-Scannen, Gepäckscannen und Erkennung schmutziger Bomben haben darauf gewartet, dass das STEHM für die Forschung und Entwicklung des Unternehmens geöffnet wird.
Das STEHM-Mikroskop wird mit 9,2 Mio. USD unterstützt die kanadische Regierung durch die kanadische Stiftung für Innovation, den BC Knowledge Development Fund und UVic sowie bedeutende Sachleistungen von Hitachi.
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Die meisten Atome sind 1 ~ 2 Angström (Å) im Durchmesser, der 3 Größenordnungen unter den Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegt. Wenn wir sehen wollen, wie Atome aussehen, müssen wir auf radikal unterschiedliche Ansätze zurückgreifen.
Rastertunnelmikroskopie (STM)
STM sind die Tannen st Geräte, die die Atome direkt „sehen“ können. STM verwendet eine extrem dünne Nadel, um die Probe zu untersuchen. Die Nadelspitze ist ein einzelnes Atom. Wenn die Spitze und die Oberfläche der Probe weniger als ein Atom voneinander entfernt sind, können Elektronen durch den Spalt tunneln. Da die Wahrscheinlichkeit eines Quantentunnelns mit der Entfernung exponentiell abnimmt, ist der Tunnelstrom sehr empfindlich gegenüber der Breite der Lücke, was die Details bis auf einzelne Atome offenbaren kann.
Eine Einschränkung von STM besteht darin, dass die Probe muss Leiter sein. Infolgedessen kann STM nur Metalle und andere leitende Materialien „sehen“, jedoch keine Gläser oder Polymere.
Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Eine Möglichkeit, das Problem zu umgehen, ist die Verwendung von AFM. Wie STM verwendet auch AFM eine Nadel, um die Oberfläche zu untersuchen. Trotz seines ausgefallenen Namens klingt sein Mechanismus viel „trivialer“. Anstatt die Tunnelströme zu messen, stellt AFM einen direkten Kontakt mit der Oberfläche her und misst die winzige Abstoßung zwischen zwei Atomen! In diesem Sinne „sah“ AFM die Atome nicht wirklich, sondern „fühlte“ sie wie einen Blinden und einen Elefanten.
Weil die Nadel nicht in das Innere gelangen kann, sowohl STM als auch AFM kann nur die Atome auf der Oberfläche „sehen“. Um das Innere zu sehen, benötigen wir etwas, das die Proben mit einer mit den Atomen vergleichbaren Wellenlänge durchdringen kann, wie beispielsweise hochenergetische Elektronen oder Photonen (Röntgenstrahlen).
Elektronenmikroskopie (EM)
Tatsächlich können wir Atome über EM sehen, vorausgesetzt, das Elektron Strahlen sind von ausreichend hoher Qualität (dh die Emission ist gering), was mit dem Aufkommen von Feldemissions-Elektronenkanonen möglich ist. Das obige Bild ist eine TEM-Aufnahme von Graphenen.
Obwohl TEM ein leistungsstarkes Werkzeug ist, kann es leider die 3D-Strukturen von Biomolekülen wie Proteinen nicht sehen. Der Grund dafür ist, dass Biomoleküle viel zerbrechlicher sind als Graphene (die härtesten Materialien der Welt!), Wodurch sie leicht durch die energiereichen Elektronen beschädigt werden, bevor wir genügend Informationen extrahieren können.
Röntgenkristallographie (XRD)
XRD ist das erste Tool, mit dem wir die 3D-Strukturen von Proteinen sehen konnten, und bleibt der primäre Weg zur Strukturbestimmung von Biomolekülen. Die Beugung von Röntgenstrahlen durch Kristalle wurde von Forschern im frühen 20. Jahrhundert seit langem bemerkt. Der Grund ist, dass Röntgenstrahlen von Elektronen in den Atomen schwach gestreut werden. Da jedoch die Wellenlänge von Röntgenstrahlen (~ 1 Å) mit Atomen vergleichbar ist, wirkt die periodische Anordnung von Atomen in Kristallen wie ein Beugungsgitter , was stark ist erhöhte die Reemission in bestimmte Richtungen ( Braggsches Gesetz ). Durch Analyse der Beugungsmuster können wir das Elektron Dichtekarten und damit die Kristallstrukturen.
Obwohl das Braggsche Gesetz in den 1910er Jahren entdeckt wurde, Es dauerte fast ein halbes Jahrhundert, um die erste Proteinstruktur zu lösen, da zu dieser Zeit nur eine geringe Rechenleistung vorhanden war, die nur ausreichte, um Strukturen zu lösen, die so einfach wie das Tafelsalz waren. Um Proteinstrukturen zu lösen, müssen sie durch Anordnen zu Kristallen verarbeitet werden Milliarden von Kopien in periodische Strukturen, ein Schritt, der als „ Kristallisation “ bezeichnet wird. Wie Elektronenstrahlen werden Proteine durch Röntgenstrahlen stark geschädigt Teinkristalle werden auf kryogene Temperatur abgekühlt, was sie viel „härter“ (tausendfach) macht, und die durchschnittliche Strahlungsleistung, die von jedem Protein empfangen wird, wird auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten. Wenn die Kristalle ausreichend groß sind, können sie immer noch zu einem starken Beugungsmuster führen. Das Finden der geeigneten Bedingungen für die Kristallisation ist keine triviale Aufgabe, und die Kristallisation großer, komplexer oder Transmembranproteine bleibt bis heute eine Herausforderung.
Elektronenkryomikroskopie (Cryo -EM)
Kryo-EM ist ein vielversprechendes Werkzeug in der Strukturbiologie, da es das nicht benötigt geschwindigkeitsbestimmender Kristallisationsschritt, der das Potenzial zur Lösung der feuerfestesten Proteine verleiht. Wie XRD vermeidet Cryo-EM Strahlenschäden durch kryogene Kühlung und Senkung der Dosierung. Die Proteine werden in einem dünnen Wasserfilm suspendiert, der schnell in flüssiges Ethan getaucht wird, das mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Weil das Gefrieren so schnell ist, bilden sich nicht einmal Eiskristalle. Stattdessen sind die Proteine und Wassermoleküle buchstäblich „gefriergerahmt“. Da die Proteine als Suspensionen anstelle von Kristallen hergestellt werden, können sie eine native Konfiguration anstelle einer starren Form in Kristallen annehmen.
Jedes Protein wird durch eine sehr geringe Elektronendosis abgebildet. Da die Dosierung niedrig ist, werden nur unscharfe Schatten erhalten. Durch Mittelung zahlreicher Bilder (mit „zahlreich“ meine ich eine Million) unter Verwendung von Computeralgorithmen können wir das Bild jedoch auf atomare Auflösung verfeinern. Da Proteine in Suspensionen zufällig orientiert sind, sind ausgefeilte Algorithmen erforderlich, um diese Bilder neu auszurichten. Die Bilder kleinerer Proteine sind jedoch zu klein, um sie neu auszurichten. Dies legt eine Untergrenze (~ 200 kDa) für die Größe der von Cryo-EM zu lösenden Proteine fest.
Weitere Informationen finden Sie unter Ein Nobelpreis für Cryo-EM
Eine weitere aufkommende Technik ist Röntgenfreier Elektronenlaser (XFEL) . XFEL erzeugt extrem leistungsstarke Röntgenstrahlen, die zehn Größenordnungen heller sind als alle Röntgenlichtquellen und eine Dauer von bis zu einer Femtosekunde haben. Da die Röntgenpulse extrem kurz sind, können sie die Proteinstrukturen erfassen, bevor sie auseinander fliegen (sogenannte „Beugung vor Zerstörung“). Ein solcher Ansatz hat das Potenzial, die Proteinstrukturen bei Raumtemperatur in ihrem aktiven Zustand unter Verwendung sehr kleiner Kristalle oder sogar ohne Kristalle zu lösen. Es ist jedoch eine ganze Reihe von Untersuchungen erforderlich, um sein volles Potenzial auszuschöpfen.
Es sollte beachtet werden, dass zwar beide Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen können die atomaren Strukturen lösen, es gibt einen subtilen Unterschied: //onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. Da Röntgenstrahlen Photonen sind, die direkt mit elektrischen Ladungen interagieren (denken Sie daran, Photonen sind Träger elektromagnetischer Kraft), sind die offenbarten Röntgenstrahlen gutgläubige Elektronendichte Karten (weil Elektronen viel leichter sind als Atomkerne). Elektronen OTOH sind geladene Teilchen, die indirekt über elektrische Felder mit Atomen interagieren. Infolgedessen spiegelt das Cryo-EM tatsächlich die Verteilung des elektrischen Potentials anstelle von Elektronenwolken wider (was leider als „Dichtekarten“ falsch bezeichnet wird). Eine der Konsequenzen ist, dass Atome und Ionen unter Röntgenstrahlen aufgrund ihrer ähnlichen Größe und Elektronendichte nahezu identisch sind, unter Elektronenmikroskopen jedoch radikal unterschiedlich sind, da Ionen geladen sind, während Atome dies nicht tun.Beispielsweise sind protonierte Carboxylgruppen (-COOH) mit deprotonierten Carboxylgruppen (-COO-) in der Röntgenbeugung identisch, da das Wasserstoffion unter Röntgenstrahlen unsichtbar ist. Da deprotonierte Carboxyle jedoch eine negative Ladung tragen, können sie unter Elektronenmikroskopen leicht von protonierten unterschieden werden. Infolgedessen kann Cryo-EM einige Details enthüllen, die für Röntgenstrahlen unsichtbar sind.