Lab-teknologi bringer nobelvindende cryo-EM i skarpere fokus

Banebrydende arbejde udført af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) spillede en nøglerolle i 2017 Nobelprisen i kemi, uddelt i dag, ære for udviklingen af ​​kryo-elektronmikroskopi, eller cryo-EM, en billedbehandlingsteknik, der har lanceret områderne strukturel biologi og biokemi ind i en spændende ny æra af opdagelse.

Jacques Dubochet, Joachim Frank og Richard Henderson blev tildelt Nobel for deres grundlæggende arbejde inden for kryo-elektronmikroskopi, som bruger elektroner til at afbilde prøver, der er blevet frosset midt i bevægelse, udvidelse af en teknik, der tidligere var blevet brugt til dødt eller livløst stof til proteiner og andre biomolekyler.

I den videnskabelige baggrund, der beskriver udviklingen af ​​cryo-EM, Nobelkomiteen fremhævede en "række af kritiske udviklinger", der har gjort det muligt at drage fuld fordel af Nobelpristagernes præstationer. De citerede flere artikler medforfatter af Berkeley Lab-forskerne Robert Glaeser, Ken Downing, og Peter Denes.

Glaeser, som også er UC Berkeley professor emeritus i biokemi, var en del af cryo-EMs dannelsesår. (Isærligt, Glaeser var rådgiver for nobelvinderen Joachim Frank, da han var postdoktor ved UC Berkeley i begyndelsen af ​​1970'erne. Frank var også hovedefterforsker ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center, eller NERSC, fra 2004-2006).

Glaeser og kolleger var blandt de første til at vise vigtigheden af ​​at fryse prøver til flydende nitrogentemperaturer for at beskytte dem mod skader fra intense elektronstråler. Nobelkomiteen noterede sig Glaesers forskning i kvantificering af elektroninduceret strålingsskader og vejledning til brugen af ​​lave elektrondoser i gennemsnit over flere prøver.

For at minimere skade på prøven, kun få elektroner bruges til at afbilde biologiske makromolekyler, skabe "støjende" billeder. Brugen af ​​gennemsnit er beregnet til at håndtere denne "støj, " men det kræver, at prøverne er præcist justeret. Det skabte en alvorlig flaskehals ved håndtering af titusinder til hundredtusindvis af billeder.

Gå ind i revolutionen muliggjort af ny direkte detektorteknologi, især den slags udviklet af Peter Denes, en senior videnskabsmand ved Berkeley Lab. I stedet for at tage et enkelt billede for hver prøve, det direkte detektorkamera optager flere billeder, som derefter sættes sammen for at skabe et billede i høj opløsning. Teknologien er blevet sammenlignet med processen med at optage en film, og det eliminerer effektivt problemet med sløring eller støj, når prøven bevæger sig.

Denes havde udviklet detektorer baseret på komplementær metaloxid-halvleder-teknologi (CMOS) til applikationer inden for materialevidenskab. Arbejdet muliggjorde direkte detektion af elektroner, som direkte rammer pixelsensorer i et tyndt lag silicium. Den state-of-the-art tilgang tillod den direkte "tælling" af elektroner og eliminerede i det væsentlige problemet med støj.

Hans første prototype blev udviklet til Transmission Electron Aberration-corrected Microscope (TEAM), et DOE-finansieret projekt ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), baseret på Berkeley Labs Molecular Foundry. Denes påpegede, at fordi teknologien oprindeligt var designet til anvendelser inden for materialevidenskab, det skulle være hurtigt at fange atomernes bevægelse og afsløre, hvordan defekter spredte sig.

Nobelkomiteen bemærkede specifikt fordelen med hensyn til hastighed samt det forbedrede signal-til-støj-forhold og rumlige opløsning i denne nye generation af detektorer.

En version af Berkeley Lab-kameraet er siden blevet kommercialiseret af Gatan, Inc., baseret i Pleasanton, Californien, og bruges i forskningslaboratorier, inklusive Eva Nogales, fakultetsforsker ved Berkeley Lab's Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

Berkeley Labs arbejde med at forbedre elektronmikroskopiteknologien er i gang. Både Glaeser og Denes krediterede det kollaborative økosystem på Berkeley Lab for at fremme innovation inden for elektronmikroskopi.

Dette samarbejdsmiljø blev fremhævet på en nylig workshop om "Future of Electron Microscopy, " arrangeret sidste år på Berkeley Lab af Denes; Andy Minor, NCEM direktør, og Paul Adams, direktør for Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"Jeg kan ikke komme i tanke om noget andet sted i USA, der har den kombination af ekspertise og ressourcer, vi har her i Berkeley, " sagde Denes. "Erfaringen med elektronmikroskopi, den stærke baggrund inden for biologisk og materialevidenskabelig forskning, de højtydende computerressourcer, resultaterne af at udvikle innovativ teknologi, er alle her under ét tag."

I 2015 Denes, Downing og Uli Dahmen, tidligere direktør for NCEM, fik Lab Lifetime Achievement Awards for deres elektronmikroskopiarbejde på Berkeley Lab.