Banbrytande arbete av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) spelade en nyckelroll i 2017 års Nobelpris i kemi, delas ut idag, hedra utvecklingen av kryo-elektronmikroskopi, eller cryo-EM, en bildteknik som har lanserat områdena strukturbiologi och biokemi in i en spännande ny era av upptäckter.

Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson fick Nobel för sitt grundläggande arbete inom kryo-elektronmikroskopi, som använder elektroner för att avbilda prover som har frysts i mitten av rörelsen, utvidga en teknik som tidigare använts för död eller livlös materia till proteiner och andra biomolekyler.

I den vetenskapliga bakgrunden som beskriver utvecklingen av cryo-EM, Nobelkommittén lyfte fram en "serie av kritiska utvecklingar" som har gjort det möjligt att dra full nytta av Nobelpristagarnas prestationer. De citerade flera artiklar medförfattare av Berkeley Lab-forskarna Robert Glaeser, Ken Downing, och Peter Denes.

Glaeser, som också är professor emeritus i biokemi vid UC Berkeley, var en del av cryo-EM:s uppväxtår. (I synnerhet, Glaeser var rådgivare åt Nobelvinnaren Joachim Frank när han var postdoktor vid UC Berkeley i början av 1970-talet. Frank var också huvudutredare vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center, eller NERSC, från 2004-2006.).

Glaeser och kollegor var bland de första som visade vikten av att frysa prover till flytande kvävetemperaturer för att skydda dem från skadan av intensiva elektronstrålar. Nobelkommittén noterade Glaesers forskning om att kvantifiera elektroninducerad strålskada och ge vägledning för användning av låg-elektrondoser i genomsnitt över flera prover.

För att minimera skador på provet, endast ett fåtal elektroner används för att avbilda biologiska makromolekyler, skapa "brusiga" bilder. Användningen av medelvärde är avsedd att hantera det där "buller, " men det kräver att proverna är exakt justerade. Det skapade en allvarlig flaskhals när man hanterade tio till hundratusentals bilder.

Gå in i revolutionen som möjliggörs av ny direktdetektorteknologi, särskilt den typ som utvecklats av Peter Denes, en senior forskare vid Berkeley Lab. Istället för att ta en enda bild för varje prov, direktdetektorkameran tar flera bildrutor som sedan sätts ihop för att skapa en högupplöst bild. Tekniken har jämförts med processen att spela in en film, och det eliminerar effektivt problemet med oskärpa eller brus när provet rör sig.

Denes hade utvecklat detektorer baserade på komplementära metalloxidhalvledare (CMOS) teknologi för tillämpningar inom materialvetenskap. Arbetet möjliggjorde direkt detektering av elektroner, som direkt träffar pixelsensorer i ett tunt lager av kisel. Det toppmoderna tillvägagångssättet möjliggjorde direkt "räkning" av elektroner och eliminerade i huvudsak problemet med buller.

Hans första prototyp utvecklades för Transmission Electron Aberration-corrected Microscope (TEAM), ett DOE-finansierat projekt vid National Center for Electron Microscopy (NCEM), baserad på Berkeley Labs Molecular Foundry. Denes påpekade att eftersom tekniken ursprungligen designades för tillämpningar inom materialvetenskap, det måste gå snabbt för att fånga atomernas rörelse och avslöja hur defekter spred sig.

Nobelkommittén noterade specifikt fördelen i hastighet samt det förbättrade signal-brusförhållandet och rumsliga upplösningen i denna nya generation av detektorer.

En version av Berkeley Lab -kameran har sedan dess kommersialiserats av Gatan, Inc., baserad i Pleasanton, Kalifornien, och används i forskningslabb, inklusive Eva Nogales, fakultetsforskare vid Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

Berkeley Labs arbete med att förbättra elektronmikroskopitekniken pågår. Både Glaeser och Denes krediterade det kollaborativa ekosystemet vid Berkeley Lab för att främja innovation inom elektronmikroskopi.

Denna samarbetsmiljö uppmärksammades vid en nyligen genomförd workshop om "Future of Electron Microscopy, " organiserades förra året på Berkeley Lab av Denes; Andy Minor, NCEM -chef, och Paul Adams, chef för Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"Jag kan inte tänka mig någon annan plats i USA som har den kombination av expertis och resurser vi har här i Berkeley, ", sa Denes. "Erfarenheten av elektronmikroskopi, den starka bakgrunden inom biologisk och materialvetenskaplig forskning, de högpresterande datorresurserna, meritlistan för att utveckla innovativ teknik, är alla här under ett tak."

2015, Denes, Downing och Uli Dahmen, tidigare chef för NCEM, fick Lab Lifetime Achievement Awards för sitt elektronmikroskoparbete vid Berkeley Lab.