Il lavoro pionieristico degli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia ha svolto un ruolo chiave nel Premio Nobel 2017 per la chimica, premiato oggi, onorare lo sviluppo della microscopia crioelettronica, o crio-EM, una tecnica di imaging che ha lanciato i campi della biologia strutturale e della biochimica in una nuova entusiasmante era di scoperte.

Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson sono stati insigniti del Nobel per il loro lavoro fondamentale nella microscopia crioelettronica, che utilizza gli elettroni per l'immagine di campioni che sono stati congelati a metà movimento, espandere una tecnica che era stata precedentemente utilizzata per la materia morta o inanimata a proteine ​​e altre biomolecole.

Nel background scientifico che dettaglia lo sviluppo della crio-EM, il comitato Nobel ha evidenziato una "serie di sviluppi critici" che ha permesso di sfruttare appieno i risultati dei premi Nobel. Hanno citato più articoli co-autori degli scienziati del Berkeley Lab Robert Glaeser, Ken Downing, e Peter Denes.

Glaeser, che è anche professore emerito di biochimica all'Università di Berkeley, faceva parte degli anni formativi di cryo-EM. (In particolare, Glaeser era un consulente per il premio Nobel Joachim Frank quando era un ricercatore post-dottorato presso l'UC Berkeley nei primi anni '70. Frank era anche un investigatore principale presso il National Energy Research Scientific Computing Center del Berkeley Lab, o NERSC, dal 2004-2006.).

Glaeser e colleghi sono stati tra i primi a mostrare l'importanza di congelare i campioni alle temperature dell'azoto liquido per proteggerli dai danni dei fasci di elettroni intensi. Il comitato del Nobel ha preso atto della ricerca di Glaeser sulla quantificazione del danno da radiazioni indotte dagli elettroni e sulla fornitura di indicazioni per l'uso di dosi a basse dosi di elettroni mediate su più campioni.

Per ridurre al minimo i danni al campione, solo pochi elettroni vengono utilizzati per l'immagine di macromolecole biologiche, creare immagini "rumorose". L'uso della media ha lo scopo di far fronte a quel "rumore, " ma richiede che i campioni siano allineati con precisione. Ciò ha creato un serio collo di bottiglia durante la gestione di decine o centinaia di migliaia di immagini.

Entra nella rivoluzione resa possibile dalla nuova tecnologia di rilevamento diretto, in particolare il tipo sviluppato da Peter Denes, uno scienziato senior del personale del Berkeley Lab. Piuttosto che scattare una singola foto per ogni campione, la fotocamera a rilevamento diretto riprende più fotogrammi che vengono poi messi insieme per creare un'immagine ad alta risoluzione. La tecnologia è stata paragonata al processo di registrazione di un film, ed elimina efficacemente il problema della sfocatura o del rumore quando il campione si muove.

Denes ha sviluppato rivelatori basati sulla tecnologia dei semiconduttori ad ossido di metallo complementare (CMOS) per applicazioni nella scienza dei materiali. Il lavoro ha permesso di rilevare direttamente gli elettroni, che colpiscono direttamente i sensori di pixel in un sottile strato di silicio. L'approccio allo stato dell'arte ha consentito il "conteggio" diretto degli elettroni e ha sostanzialmente eliminato il problema del rumore.

Il suo primo prototipo è stato sviluppato per il microscopio corretto per l'aberrazione elettronica a trasmissione (TEAM), un progetto finanziato dal DOE presso il National Center for Electron Microscopy (NCEM), con sede presso la fonderia molecolare di Berkeley Lab. Denes ha sottolineato che poiché la tecnologia è stata inizialmente progettata per applicazioni nella scienza dei materiali, doveva essere veloce per catturare il movimento degli atomi e rivelare come si diffondevano i difetti.

Il comitato Nobel ha notato specificamente il vantaggio in termini di velocità, nonché il miglioramento del rapporto segnale-rumore e la risoluzione spaziale in questa nuova generazione di rivelatori.

Una versione della fotocamera Berkeley Lab è stata poi commercializzata da Gatan, Inc., con sede a Plesanton, California, e utilizzati nei laboratori di ricerca, compreso quello di Eva Nogales, scienziato della facoltà presso la divisione di biofisica molecolare e bioimmagine integrata del Berkeley Lab.

Il lavoro del Berkeley Lab per migliorare la tecnologia della microscopia elettronica è in corso. Sia Glaeser che Denes hanno attribuito all'ecosistema collaborativo del Berkeley Lab la promozione dell'innovazione nella microscopia elettronica.

Questo ambiente collaborativo è stato evidenziato in un recente seminario sul "Futuro della microscopia elettronica, " organizzato lo scorso anno al Berkeley Lab da Denes; Andy Minor, Direttore NCEM, e Paul Adams, Direttore della Divisione di Biofisica Molecolare e Bioimmagini Integrate.

"Non riesco a pensare a nessun altro posto negli Stati Uniti che abbia la combinazione di competenze e risorse che abbiamo qui a Berkeley, " ha detto Denes. "L'esperienza nella microscopia elettronica, il forte background nella ricerca in scienze biologiche e dei materiali, le risorse di calcolo ad alte prestazioni, l'esperienza nello sviluppo di tecnologie innovative, sono tutti qui sotto lo stesso tetto."

Nel 2015, Denes, Downing e Uli Dahmen, ex direttore dell'NCEM, hanno ricevuto i Lab Lifetime Achievement Awards per il loro lavoro di microscopia elettronica al Berkeley Lab.