(A) Grafenficka skyddar provet i vätskan. (B) Foto av grafenfickan. (C) Som ett resultat av den infallande elektronstrålen, en luftbubbla fyller större delen av fickan efter en kort tid. (D) Bubble Forming Time, beroende på vilken typ av lösning som fyller fickan. Den längsta bubbelfria tiden erhålls när fickan fylls med a) tungt vatten (D2O), följt av vatten (H2O) med b) 50% glycerol, c) 100 mM NaCl, d) 10 mM n-propylgallat, e) 3% glycerol, och f) endast vatten. Kredit:Institute for Basic Science
Eftersom livet mestadels är baserat på vatten, våra molekyler rör sig, vibrerande och salto i en flytande miljö. Men elektronmikroskopi - en teknik för att studera en statisk version av denna nanoworld - har varit nästan omöjlig att använda för att se rörliga molekyler, eftersom den infallande elektronstrålen skadar proverna. Forskare vid Center for Soft and Living Matter, inom Institute for Basic Science (IBS), rapportera en stor förbättring på detta område.
Den här studien, publicerad i ACS Nano , är den första som använder tungt vatten (D 2 O) - en form av vatten som innehåller deuterium (D) istället för väte - inom transmissionselektronmikroskopi (TEM). Detta tillvägagångssätt försenar avsevärt provskador, vilket är ett av de största hindren för bredare tillämpning av TEM i flytande fas på bräckliga biologiska prover.
I elektronmikroskopi, elektroner som avges mot provet har en mycket kortare våglängd än ljus, så de är bättre lämpade för att ge information om enskilda molekyler. Å andra sidan, elektronstrålen är extremt kraftfull och riskerar att skada provet på grund av dess höga energi, som genererar en elektrisk laddning och bryter de kemiska bindningarna.
IBS-forskare använde en liten ficka fylld med vätska inklämd mellan atomtunna ark grafen, inom vilken provmolekylerna är fria att röra sig och skyddas från elektrisk laddning, och testade flera typer av vätskor för att hitta den som bevarar provet längre. "I motsats till det vanliga tillvägagångssättet att minska elektronstrålens energi för att fördröja provskador, vi fokuserade på att ställa in miljön - vattnet där intressanta molekyler löses upp, "säger Huan Wang, medförfattare till studien.
IBS -forskare har visat att användning av tungt vatten har flera fördelar jämfört med konkurrerande metoder. D 2 O fördröjer inte bara bildandet av gasbubblor, men också strukturella skador på enskilda polymermolekyler. Jämfört med H. 2 O, D 2 O har en neutron till, vilket betyder att det är tyngre, alltså svårare att dissociera till radikaler, och mindre reaktiva i den efterföljande skadliga processen.
När den utsätts för elektronstrålen, polymermolekyler (polystyrensulfonat) nedbryts snabbare i glycerollösningen än i D2O. Kredit:Institute for Basic Science
"Tungt vatten överträffar de konkurrerande metoderna med en faktor två till fem åtminstone, "sa Kandula Hima Nagamanasa, medförfattare till studien. "Eftersom bubblan bildas är försenad och molekylerna var synliga i dubbelt så länge."
En lika viktig fördel är att D 2 O är ett ofarligt solskyddsmedel. Provexemplaret, en polymer av polystyrensulfonat i detta fall, visade samma dynamikmönster och liknande kontrast i D 2 O och i vatten.
"I framtiden, vi planerar att utvidga denna studie till mer komplexa makromolekyler, som DNA och proteiner, "förklarade Steve Granick, chef för IBS -centret och motsvarande författare till studien. "Dessutom, studien öppnar vägar för att observera långsiktiga fenomen i andra relaterade mikroskopitekniker, som cryoEM (kryogen elektronmikroskopi), och för att få mer statistisk information om komplexa fenomen, som självmontering av enstaka molekyler till mer komplexa biologiska strukturer. "
