Ny elektronmikroskopi tilbyder nanoskala, skadefri isotopsporing i aminosyrer

En ny elektronmikroskopiteknik, der registrerer de subtile ændringer i vægten af ​​proteiner på nanoskalaen - samtidig med at prøven forbliver intakt - kan åbne en ny vej for dybere, mere omfattende undersøgelser af livets grundlæggende byggesten.

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory beskrevet i tidsskriftet Videnskab den første brug af et elektronmikroskop til direkte at identificere isotoper i aminosyrer på nanoskalaen uden at beskadige prøverne.

Isotoper bruges ofte til at mærke molekyler og proteiner. Ved at måle variationerne i molekylets vibrationssignaturer, elektronmikroskopet kan spore isotoper med en hidtil uset spektral præcision og rumlig opløsning.

Teknikken ødelægger ikke aminosyrerne, muliggøre real-space observation af dynamisk kemi og skabe et fundament for et væld af videnskabelige opdagelser fra enkle til komplekse biologiske strukturer på tværs af biovidenskaberne.

"Den måde, vi forstår udviklingen af ​​sygdomme på, menneskelig metabolisme og andre komplicerede biologiske fænomener er baseret på interaktioner mellem proteiner, "sagde Jordan Hachtel, ORNL postdoktor og hovedforfatter. "Vi studerer disse interaktioner ved at mærke specifikke proteiner med en isotop og derefter spore det gennem en kemisk reaktion for at se, hvor det gik hen, og hvad det gjorde."

"Nu, vi kan spore isotopmærker direkte med elektronmikroskopet, hvilket betyder, at vi kan gøre det med en rumlig opløsning, der kan sammenlignes med proteinernes faktiske størrelse, "Tilføjede Hachtel.

Deres nye eksperiment, som fandt sted på ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, brugt monokromeret elektron-energitabspektroskopi, eller ÅL, i et scannende transmissionselektronmikroskop, eller STEM. Teknikken, forskerne brugte, er følsom nok til at skelne mellem molekyler, der adskiller sig med en enkelt neutron på et enkelt atom. EELS blev brugt til at fange de små vibrationer i en aminosyres molekylære struktur.

"Isotopmærker ses typisk på makroskopisk niveau ved hjælp af massespektrometri, et videnskabeligt værktøj, der afslører en prøves atomvægt og isotopiske sammensætning, "sagde Juan Carlos Idrobo, ORNL -videnskabsmand og tilsvarende forfatter. "Massespektrometri har en utrolig masseopløsning, men den har typisk ikke nanometer rumlig opløsning. Det er en destruktiv teknik. "

Et massespektrometer bruger en elektronstråle til at bryde et molekyle fra hinanden til ladede fragmenter, der derefter kendetegnes ved deres masse-til-ladningsforhold. Iagttagelse af prøven i makroskalaen, forskere kan kun statistisk udlede, hvilke kemiske bindinger der sandsynligvis havde eksisteret i prøven. Prøven ødelægges under forsøget, efterlader værdifuld information uopdaget.

Den nye elektronmikroskopi teknik, som anvendt af ORNL -teamet, tilbyder en blidere tilgang. Ved at placere elektronstrålen ekstremt tæt på prøven, men uden at røre det direkte, elektronerne kan excitere og registrere vibrationerne uden at ødelægge prøven, tillader observationer af biologiske prøver ved stuetemperatur over længere perioder.

Deres resultat udgør et gennembrud for elektronmikroskopi, da den negativt ladede elektronstråle typisk kun er følsom over for protoner, og ikke neutronerne. "Imidlertid, frekvensen af ​​molekylvibrationerne afhænger af atomvægten, og den nøjagtige måling af disse vibrationsfrekvenser åbner den første direkte kanal til måling af isotoper i elektronmikroskopet, sagde Idrobo.

Det ORNL-ledede forskerhold forventer, at deres potentielt spilskiftende teknologi ikke ville erstatte, men snarere supplere massespektrometri og andre konventionelle optiske og neutronbaserede teknikker, der i øjeblikket bruges til at detektere isotopiske mærker.

"Vores teknik er det perfekte supplement til et makroskala massespektrometri eksperiment, "Sagde Hachtel." Med forkendskab til massespektrometri, vi kan gå ind og rumligt løse, hvor de isotopiske etiketter ender i en prøve i det virkelige rum. "

Ud over biovidenskaben kunne teknikken anvendes på andre bløde stoffer, såsom polymerer, og potentielt i kvantematerialer, hvor isotopisk substitution kan spille en nøglerolle i kontrollen af ​​superledning.