Baanbrekend werk van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy speelde een sleutelrol bij de Nobelprijs voor scheikunde 2017, vandaag uitgereikt, ter ere van de ontwikkeling van cryo-elektronenmicroscopie, of cryo-EM, een beeldvormingstechniek die de gebieden van structurele biologie en biochemie heeft gelanceerd in een opwindend nieuw tijdperk van ontdekking.

Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson kregen de Nobelprijs voor hun fundamentele werk in cryo-elektronenmicroscopie, die elektronen gebruikt om monsters af te beelden die midden in de beweging zijn bevroren, het uitbreiden van een techniek die eerder werd gebruikt voor dode of levenloze materie naar eiwitten en andere biomoleculen.

In de wetenschappelijke achtergrond over de ontwikkeling van cryo-EM, het Nobelcomité wees op een "reeks kritieke ontwikkelingen" die het mogelijk hebben gemaakt om ten volle te profiteren van de prestaties van de Nobelprijswinnaars. Ze citeerden meerdere artikelen die co-auteur waren van Berkeley Lab-wetenschappers Robert Glaeser, Ken Downing, en Peter Denes.

Glaeser, die ook emeritus hoogleraar biochemie aan de UC Berkeley is, maakte deel uit van de beginjaren van cryo-EM. (Opmerkelijk, Glaeser was een adviseur van Nobelprijswinnaar Joachim Frank toen hij begin jaren zeventig postdoctoraal onderzoeker was aan UC Berkeley. Frank was ook hoofdonderzoeker bij Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center, of NERSC, van 2004-2006.).

Glaeser en collega's waren een van de eersten die het belang aantoonden van het bevriezen van monsters tot temperaturen van vloeibare stikstof om ze te beschermen tegen de schade van intense elektronenstralen. Het Nobelcomité nam nota van Glaeser's onderzoek naar het kwantificeren van door elektronen veroorzaakte stralingsschade en het geven van richtlijnen voor het gebruik van lage elektronendoses gemiddeld over meerdere monsters.

Om schade aan het monster te minimaliseren, slechts een paar elektronen worden gebruikt om biologische macromoleculen in beeld te brengen, het creëren van "lawaaierige" afbeeldingen. Het gebruik van middeling is bedoeld om dat "ruis, " maar het vereist dat de samples precies worden uitgelijnd. Dat zorgde voor een serieus knelpunt bij het beheren van tien- tot honderdduizenden afbeeldingen.

Betreed de revolutie die mogelijk wordt gemaakt door nieuwe directe detectortechnologie, vooral het soort ontwikkeld door Peter Denes, een senior stafwetenschapper bij Berkeley Lab. In plaats van voor elk monster een enkele foto te maken, de camera met directe detector maakt meerdere frames die vervolgens worden samengevoegd om een ​​afbeelding met een hoge resolutie te creëren. De technologie is vergeleken met het proces van het opnemen van een film, en het elimineert effectief het probleem van onscherpte of ruis wanneer het monster beweegt.

Denes had detectoren ontwikkeld op basis van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS) voor toepassingen in de materiaalkunde. Het werk maakte directe detectie van elektronen mogelijk, die direct pixelsensoren raken in een dunne laag silicium. De state-of-the-art benadering maakte het direct "tellen" van elektronen mogelijk en elimineerde in wezen het probleem van ruis.

Zijn eerste prototype werd ontwikkeld voor de Transmission Electron Aberration-corrected Microscope (TEAM), een door DOE gefinancierd project bij het National Center for Electron Microscopy (NCEM), gevestigd in de Molecular Foundry van Berkeley Lab. Denes wees erop dat, omdat de technologie oorspronkelijk was ontworpen voor toepassingen in de materiaalkunde, het moest snel zijn om de beweging van atomen te vangen en te onthullen hoe defecten zich verspreiden.

Het Nobelcomité wees met name op het snelheidsvoordeel en de verbeterde signaal-ruisverhouding en ruimtelijke resolutie in deze nieuwe generatie detectoren.

Een versie van de Berkeley Lab-camera is sindsdien op de markt gebracht door Gatan, Inc., gevestigd in Pleasanton, Californië, en gebruikt in onderzoekslaboratoria, waaronder die van Eva Nogales, faculteitswetenschapper bij de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division van Berkeley Lab.

Berkeley Lab's werk aan het verbeteren van de elektronenmicroscopietechnologie is aan de gang. Zowel Glaeser als Denes hebben het collaboratieve ecosysteem van Berkeley Lab gecrediteerd voor het bevorderen van innovatie in elektronenmicroscopie.

Deze samenwerkingsomgeving werd benadrukt tijdens een recente workshop over de "Future of Electron Microscopy, " vorig jaar georganiseerd in Berkeley Lab door Denes; Andy Minor, NCEM-directeur, en Paul Adams, directeur van de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division.

"Ik kan geen andere plaats in de Verenigde Staten bedenken die de combinatie van expertise en middelen heeft die we hier in Berkeley hebben, " zei Denes. "De ervaring in elektronenmicroscopie, de sterke achtergrond in biologisch en materiaalwetenschappelijk onderzoek, de krachtige computerbronnen, de staat van dienst van het ontwikkelen van innovatieve technologie, zijn hier allemaal onder één dak."

in 2015, Denes, Downing en Uli Dahmen, voormalig directeur van NCEM, kregen Lab Lifetime Achievement Awards voor hun elektronenmicroscopiewerk bij Berkeley Lab.