Инновационная электронная микроскопия обеспечивает безошибочное отслеживание изотопов в аминокислотах в наноразмерных масштабах

Новый метод электронной микроскопии, способный обнаруживать мельчайшие изменения веса белков на наноуровне – при сохранении целостности образца – может проложить путь к более глубоким, более широким исследованиям базового здания блоки жизни.

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Риджа использовали монохроматический сканирующий электронный микроскоп с коррекцией аберраций или метод MAC-STEM, который обнаруживает едва заметные изменения в вес белков на наноуровне – при сохранении образца нетронутым – и является идеальным дополнением к макромасштабному эксперименту по масс-спектрометрии. (Изображение предоставлено: Карлос Джонс / Национальная лаборатория Ок-Риджа, Министерство энергетики США)

Исследователи из Национальной лаборатории Департамента энергетики Ок-Риджа проиллюстрировали в журнале Science первое использование электронного микроскопа для мгновенной идентификации изотопов в аминокислотах на наноразмерных масштабах без разрушения образцов.

Изотопы обычно используются для маркировки белков и молекул. Электронный микроскоп измеряет различия в колебательных сигнатурах молекулы, что затем помогает ей отслеживать изотопы с беспрецедентным пространственным разрешением и спектральной точностью.

Этот метод не наносит вреда аминокислотам, обеспечивая возможность наблюдения в реальном времени динамической химии и обеспечивая основу для множества научных открытий от простых до сложных биологических структур, охватывающих науки о жизни.

То, как мы понимаем прогрессирование заболеваний, метаболизма человека и других сложных биологических явлений, основано на взаимодействиях между белками. Мы изучаем эти взаимодействия, помечая определенные белки изотопом, а затем отслеживая его посредством химической реакции, чтобы увидеть, куда он пошел и что он сделал. Теперь мы можем отслеживать изотопные метки непосредственно с помощью электронного микроскопа, что означает, что мы можем делать это с пространственным разрешением, сопоставимым с фактическим размером белков .

Джордан Хахтел, докторская научный сотрудник и ведущий исследователь, ORNL.

В их новом эксперименте, который был проведен в Центре нанофазных материаловедения ORNL, использовалась монохроматическая электронная спектроскопия потерь энергии (EELS) в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе (STEM). Метод, который использовали исследователи, достаточно чувствителен, чтобы различать молекулы, различающиеся одним нейтроном на одном атоме. EELS использовался, чтобы отметить тонкие колебания в молекулярной структуре аминокислоты.

Изотопные метки обычно видны на макроскопическом уровне с использованием масс-спектрометрии, научного инструмента, который показывает атомный вес образца и изотопный состав. Масс-спектрометрия имеет невероятное разрешение по массе, но обычно она не имеет пространственного разрешения в нанометрах. Это разрушительная техника .

Хуан Карлос Идробо, штатный научный сотрудник и корреспондент исследования, ORNL.

Масс-спектрометр использует электронный луч для расщепления молекулы на заряженные фрагменты, которые затем классифицируются по их отношению массы к заряду. Изучая образец в макромасштабе, исследователи могут только статистически определить, какие химические связи могли существовать в образце. Образец повреждается во время эксперимента, оставляя важную информацию непокрытой.

Новый метод электронной микроскопии, применяемый командой ORNL, обеспечивает более тонкий подход. Помещая электронный пучок очень близко к образцу, но не касаясь его непосредственно, электроны могут стимулировать и ощущать вибрации, не повреждая образец, что позволяет наблюдать биологические образцы при температуре окружающей среды в течение более длительных периодов времени.

Их результат привел к трансформации в электронной микроскопии, поскольку отрицательно заряженный электронный пучок обычно чувствителен только к протонам, а не к нейтронам. « Однако частота молекулярных колебаний зависит от атомного веса, и точное измерение этих частот колебаний открывает первый прямой канал для измерения изотопов в электронном микроскопе », – сказал Идробо.

Исследовательская группа под руководством ORNL считает, что их технология, потенциально меняющая игру, не заменит, а дополнит масс-спектрометрию и другие традиционные оптические и нейтронные методы, используемые в настоящее время для определения изотопных меток.

Наша методика является идеальным дополнением к макромасштабному эксперименту по масс-спектрометрии. С предварительным знанием масс-спектрометрии, мы можем войти и пространственно решить, где изотопные метки заканчиваются в образце реального пространства .

Джордан Хахтел, докторская научный сотрудник и ведущий исследователь, ORNL.

Вне науки о жизни, метод может быть применен к другой мягкой материи, например, к полимерам, и, возможно, в квантовых материалах, где изотопное замещение может играть важную роль в регулировании сверхпроводимости.

В соавторстве под названием «Идентификация сайт-специфических изотопных меток с помощью вибрационной спектроскопии в электронном микроскопе» в соавторстве участвовали Джордан А. Хахтель, Цзинсон Хуан, Илья Попов, Санта-Янсоне-Попова, Йонг К. Кеум, Яцек Яковский. и Хуан Карлос Идробо из ORNL; и Трейси К. Лавджой, Никлас Деллби и Ондрей Л. Криванек из Nion Co., разработчики и изготовители спектрометра и электронного микроскопа, использованные в экспериментах.

В исследовании участвовало Управление науки Министерства энергетики США, в котором использовался сканирующий просвечивающий электронный микроскоп с коррекцией аберраций или MAC-STEM, а также другие ресурсы в Центре нанофазных материаловедения ORNL, Учебное заведение Министерства энергетики США

.

Source link