Neutroni elettrizzanti:la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni monocromatici nel microscopio elettronico a trasmissione a scansione viene utilizzata per distinguere tra molecole che differiscono solo per un singolo neutrone su un singolo atomo. Il fascio di elettroni può catturare le variazioni delle minuscole vibrazioni molecolari di un amminoacido causate dal neutrone in più senza danneggiare il campione e con una risoluzione spaziale senza precedenti. Credito:Andy Sproles/Laboratorio nazionale di Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Una nuova tecnica di microscopia elettronica che rileva i sottili cambiamenti nel peso delle proteine su scala nanometrica, mantenendo intatto il campione, potrebbe aprire una nuova via per approfondimenti, studi più completi sui mattoni fondamentali della vita.
Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy hanno descritto nella rivista Scienza il primo utilizzo di un microscopio elettronico per identificare direttamente gli isotopi negli amminoacidi su scala nanometrica senza danneggiare i campioni.
Gli isotopi sono comunemente usati per etichettare molecole e proteine. Misurando le variazioni nelle firme vibrazionali della molecola, il microscopio elettronico può tracciare gli isotopi con una precisione spettrale e una risoluzione spaziale senza precedenti.
La tecnica non distrugge gli amminoacidi, consentendo l'osservazione nello spazio reale della chimica dinamica e creando una base per una serie di scoperte scientifiche da strutture biologiche semplici a complesse attraverso le scienze della vita.
"Il modo in cui comprendiamo la progressione delle malattie, metabolismo umano e altri complicati fenomeni biologici si basa sulle interazioni tra proteine, " ha detto Jordan Hachtel, Borsista post-dottorato ORNL e autore principale. "Studiamo queste interazioni etichettando proteine specifiche con un isotopo e quindi monitorandolo attraverso una reazione chimica per vedere dove è andato e cosa ha fatto".
Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione a scansione corretto per l'aberrazione, o MAC-STEM, La tecnica che rileva i sottili cambiamenti nel peso delle proteine su scala nanometrica, mantenendo intatto il campione, è il complemento perfetto per un esperimento di spettrometria di massa su macroscala. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
"Ora, possiamo tracciare le etichette isotopiche direttamente con il microscopio elettronico, il che significa che possiamo farlo con una risoluzione spaziale paragonabile alla dimensione effettiva delle proteine, "ha aggiunto Hachtel.
Il loro nuovo esperimento, che ha avuto luogo presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL, utilizzato spettroscopia di perdita di energia di elettroni monocromatici, o anguille, in un microscopio elettronico a trasmissione a scansione, o STEM. La tecnica utilizzata dagli scienziati è abbastanza sensibile da distinguere tra molecole che differiscono per un singolo neutrone su un singolo atomo. EELS è stato utilizzato per catturare le minuscole vibrazioni nella struttura molecolare di un amminoacido.
"Le etichette isotopiche sono tipicamente viste a livello macroscopico usando la spettrometria di massa, uno strumento scientifico che rivela il peso atomico e la composizione isotopica di un campione, " disse Juan Carlos Idrobo, Scienziato dello staff dell'ORNL e autore corrispondente. "La spettrometria di massa ha un'incredibile risoluzione di massa, ma in genere non ha una risoluzione spaziale nanometrica. È una tecnica distruttiva".
Uno spettrometro di massa utilizza un fascio di elettroni per spezzare una molecola in frammenti carichi che sono poi caratterizzati dal loro rapporto massa-carica. Osservando il campione alla macroscala, gli scienziati possono solo dedurre statisticamente quali legami chimici erano probabilmente esistiti nel campione. Il campione viene distrutto durante l'esperimento, lasciando preziose informazioni non scoperte.
La nuova tecnica di microscopia elettronica, come applicato dal team ORNL, offre un approccio più delicato. Posizionando il fascio di elettroni estremamente vicino al campione, ma senza toccarlo direttamente, gli elettroni possono eccitare e rilevare le vibrazioni senza distruggere il campione, consentendo osservazioni di campioni biologici a temperatura ambiente per periodi di tempo più lunghi.
Il team di ricerca interdisciplinare ORNL che ha portato l'etichettatura isotopica senza danni su scala nanometrica nel microscopio elettronico include, da sinistra, Jacek Jakowski, Santa Jansone-Popova, Juan Carlos Idrobo, Jingsong Huang, Jong Keum, Jordan Hachtel e Ilja Popovs, tutto l'ORNL. non raffigurato, Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby e Ondrej L. Krivanek di Nion Co. Credito:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Il loro risultato costituisce una svolta per la microscopia elettronica, poiché il fascio di elettroni con carica negativa è tipicamente sensibile solo ai protoni, e non i neutroni. "Però, la frequenza delle vibrazioni molecolari dipende dal peso atomico, e la misurazione accurata di queste frequenze vibrazionali apre il primo canale diretto per misurare gli isotopi al microscopio elettronico, " disse Idrobo.
Il team di ricerca guidato dall'ORNL si aspetta che la loro tecnologia potenzialmente rivoluzionaria non sostituisca ma piuttosto integri la spettrometria di massa e altre tecniche convenzionali ottiche e basate sui neutroni attualmente utilizzate per rilevare le etichette isotopiche.
"La nostra tecnica è il complemento perfetto per un esperimento di spettrometria di massa su macroscala, " Hachtel ha detto. "Con la preconoscenza della spettrometria di massa, possiamo entrare e risolvere spazialmente dove finiscono le etichette isotopiche in un campione dello spazio reale".
Al di là delle scienze della vita, la tecnica potrebbe essere applicata ad altre materie morbide come polimeri, e potenzialmente nei materiali quantistici in cui la sostituzione isotopica può svolgere un ruolo chiave nel controllo della superconduttività.
