Elektrifierande neutroner:Monokromerad elektronenergiförlustspektroskopi i sveptransmissionselektronmikroskopet används för att skilja mellan molekyler som endast skiljer sig åt med en enda neutron på en enda atom. Elektronstrålen kan fånga förändringar i de små molekylära vibrationerna hos en aminosyra som orsakas av den extra neutronen utan att skada provet och med oöverträffad rumslig upplösning. Kredit:Andy Sproles/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
En ny elektronmikroskopiteknik som upptäcker de subtila förändringarna i proteinernas vikt på nanoskala - samtidigt som provet hålls intakt - kan öppna en ny väg för djupare, mer omfattande studier av livets grundläggande byggstenar.
Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory beskrivs i tidskriften Vetenskap den första användningen av ett elektronmikroskop för att direkt identifiera isotoper i aminosyror på nanoskala utan att skada proverna.
Isotoper används vanligtvis för att märka molekyler och proteiner. Genom att mäta variationerna i molekylens vibrationssignaturer, elektronmikroskopet kan spåra isotoper med oöverträffad spektral precision och rumslig upplösning.
Tekniken förstör inte aminosyrorna, möjliggör real-rymdobservation av dynamisk kemi och skapar en grund för en mängd vetenskapliga upptäckter från enkla till komplexa biologiska strukturer inom biovetenskaperna.
"Sättet vi förstår utvecklingen av sjukdomar, mänsklig metabolism och andra komplicerade biologiska fenomen bygger på interaktioner mellan proteiner, sa Jordan Hachtel, ORNL postdoktor och huvudförfattare. "Vi studerar dessa interaktioner genom att märka specifika proteiner med en isotop och sedan spåra det genom en kemisk reaktion för att se var det tog vägen och vad det gjorde."
Oak Ridge National Laboratory-forskare använde en monokromaterad, aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop, eller MAC-STEM, Teknik som upptäcker de subtila förändringarna i vikten av proteiner på nanoskala - samtidigt som provet behålls intakt - är det perfekta komplementet till ett makroskala masspektrometriexperiment. Kredit:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
"Nu, vi kan spåra isotopetiketter direkt med elektronmikroskopet, vilket betyder att vi kan göra det med en rumslig upplösning som är jämförbar med den faktiska storleken på proteinerna, " tillade Hachtel.
Deras nya experiment, som ägde rum på ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences, använd monokromatisk elektronenergiförlustspektroskopi, eller ÅL, i ett sveptransmissionselektronmikroskop, eller STEM. Tekniken som forskarna använde är tillräckligt känslig för att skilja mellan molekyler som skiljer sig åt med en enda neutron på en enda atom. EELS användes för att fånga de små vibrationerna i molekylstrukturen hos en aminosyra.
"Isotopiska märkningar ses vanligtvis på makroskopisk nivå med hjälp av masspektrometri, ett vetenskapligt verktyg som avslöjar ett provs atomvikt och isotopsammansättning, sa Juan Carlos Idrobo, ORNL stabsforskare och motsvarande författare. "Masspektrometri har en otrolig massupplösning, men det har vanligtvis inte nanometer rumslig upplösning. Det är en destruktiv teknik."
En masspektrometer använder en elektronstråle för att bryta isär en molekyl till laddade fragment som sedan karakteriseras av deras förhållande mellan massa och laddning. Att observera provet i makroskala, Forskare kan bara statistiskt sluta sig till vilka kemiska bindningar som sannolikt fanns i provet. Provet förstörs under experimentet, lämnar värdefull information oupptäckt.
Den nya elektronmikroskopitekniken, som tillämpas av ORNL-teamet, erbjuder ett skonsammare tillvägagångssätt. Genom att placera elektronstrålen extremt nära provet, men utan att direkt röra den, elektronerna kan excitera och detektera vibrationerna utan att förstöra provet, möjliggör observationer av biologiska prover vid rumstemperatur under längre tidsperioder.
Det tvärvetenskapliga ORNL-forskarteamet som tog med sig skadefri isotopmärkning till nanoskalan i elektronmikroskopet inkluderar, från vänster, Jacek Jakowski, Santa Jansone-Popova, Juan Carlos Idrobo, Jingsong Huang, Jong Keum, Jordan Hachtel och Ilja Popovs, hela ORNL. Ej på bild, Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby och Ondrej L. Krivanek från Nion Co. Kredit:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
Deras resultat utgör ett genombrott för elektronmikroskopi, eftersom den negativt laddade elektronstrålen vanligtvis bara är känslig för protonerna, och inte neutronerna. "Dock, frekvensen av de molekylära vibrationerna är beroende av atomvikten, och den exakta mätningen av dessa vibrationsfrekvenser öppnar den första direkta kanalen för att mäta isotoper i elektronmikroskopet, sa Idrobo.
Det ORNL-ledda forskarteamet förväntar sig att deras potentiellt spelförändrande teknologi inte skulle ersätta utan snarare komplettera masspektrometri och andra konventionella optiska och neutronbaserade tekniker som för närvarande används för att detektera isotopetiketter.
"Vår teknik är det perfekta komplementet till ett makroskala masspektrometriexperiment, ", sa Hachtel. "Med förkunskapen om masspektrometri, vi kan gå in och spatialt lösa var isotopetiketterna hamnar i ett verkligt rymdprov."
Utöver biovetenskapen skulle tekniken kunna tillämpas på andra mjuka ämnen som polymerer, och potentiellt i kvantmaterial där isotopsubstitution kan spela en nyckelroll för att kontrollera supraledning.
