Een nieuwe elektronenmicroscopietechniek die de subtiele veranderingen in het gewicht van eiwitten op nanoschaal detecteert - terwijl het monster intact blijft - zou een nieuwe weg kunnen openen voor diepere, meer uitgebreide studies van de fundamentele bouwstenen van het leven.

Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy beschreven in het tijdschrift Wetenschap het eerste gebruik van een elektronenmicroscoop om isotopen in aminozuren direct op nanoschaal te identificeren zonder de monsters te beschadigen.

Isotopen worden vaak gebruikt om moleculen en eiwitten te labelen. Door de variaties in de trillingskenmerken van het molecuul te meten, de elektronenmicroscoop kan isotopen volgen met ongekende spectrale precisie en ruimtelijke resolutie.

De techniek vernietigt de aminozuren niet, waardoor real-space observatie van dynamische chemie mogelijk wordt en een basis wordt gelegd voor een groot aantal wetenschappelijke ontdekkingen van eenvoudige tot complexe biologische structuren in de levenswetenschappen.

"De manier waarop we de progressie van ziekten begrijpen, menselijke stofwisseling en andere gecompliceerde biologische fenomenen zijn gebaseerd op interacties tussen eiwitten, " zei Jordan Hachtel, ORNL postdoctoraal fellow en hoofdauteur. "We bestuderen deze interacties door specifieke eiwitten te labelen met een isotoop en deze vervolgens door een chemische reactie te volgen om te zien waar het heen ging en wat het deed."

"Nutsvoorzieningen, we kunnen isotopenlabels direct volgen met de elektronenmicroscoop, wat betekent dat we het kunnen doen met een ruimtelijke resolutie die vergelijkbaar is met de werkelijke grootte van de eiwitten, ’ voegde Hachtel eraan toe.

Hun nieuwe experiment, die plaatsvond in ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences, gebruikte monochromatische elektronen-energieverliesspectroscopie, of EELS, in een scanning transmissie-elektronenmicroscoop, of STEM. De techniek die de wetenschappers gebruikten is gevoelig genoeg om onderscheid te maken tussen moleculen die verschillen door een enkel neutron op een enkel atoom. EELS werd gebruikt om de minieme trillingen in de moleculaire structuur van een aminozuur vast te leggen.

"Isotopische labels worden meestal gezien op macroscopisch niveau met behulp van massaspectrometrie, een wetenschappelijk hulpmiddel dat het atoomgewicht en de isotopensamenstelling van een monster onthult, " zei Juan Carlos Idrobo, ORNL stafwetenschapper en corresponderend auteur. "Massaspectrometrie heeft een ongelooflijke massaresolutie, maar het heeft meestal geen ruimtelijke resolutie van nanometer. Het is een destructieve techniek."

Een massaspectrometer gebruikt een elektronenstraal om een ​​molecuul op te splitsen in geladen fragmenten die vervolgens worden gekenmerkt door hun massa-tot-ladingsverhouding. Het monster op macroschaal observeren, wetenschappers kunnen alleen statistisch afleiden welke chemische bindingen waarschijnlijk in het monster hebben bestaan. Het monster wordt vernietigd tijdens het experiment, waardoor waardevolle informatie onontdekt blijft.

De nieuwe elektronenmicroscopietechniek, zoals toegepast door het ORNL-team, biedt een zachtere aanpak. Door de elektronenbundel extreem dicht bij het monster te plaatsen, maar zonder het direct aan te raken, de elektronen kunnen de trillingen opwekken en detecteren zonder het monster te vernietigen, waardoor observaties van biologische monsters bij kamertemperatuur gedurende langere tijd mogelijk zijn.

Hun resultaat betekent een doorbraak voor elektronenmicroscopie, aangezien de negatief geladen elektronenbundel typisch alleen gevoelig is voor de protonen, en niet de neutronen. "Echter, de frequentie van de moleculaire trillingen is afhankelijk van het atoomgewicht, en de nauwkeurige meting van deze trillingsfrequenties opent het eerste directe kanaal om isotopen te meten in de elektronenmicroscoop, ' zei Idrobo.

Het door ORNL geleide onderzoeksteam verwacht dat hun potentieel baanbrekende technologie de massaspectrometrie en andere conventionele optische en op neutronen gebaseerde technieken die momenteel worden gebruikt om isotopische labels te detecteren, niet zal vervangen, maar eerder zal aanvullen.

"Onze techniek is de perfecte aanvulling op een massaspectrometrie-experiment op macroschaal, Hachtel zei. "Met de voorkennis van de massaspectrometrie, we kunnen naar binnen gaan en ruimtelijk oplossen waar de isotopenlabels terechtkomen in een monster in de echte ruimte."

Naast de biowetenschappen zou de techniek ook kunnen worden toegepast op andere zachte materie zoals polymeren, en mogelijk in kwantummaterialen waar isotopische substitutie een sleutelrol kan spelen bij het beheersen van supergeleiding.