用电子衍射偷偷发现微小的晶体

 
在串行电子衍射中，一束小的电子束依次撞击成千上万个由蛋白质制成的微小晶体，这些晶体将其散射成衍射图案。根据这些模式，可以高分辨率确定蛋白质的结构。图片来源：RobertBücker了解蛋白质的结构是生命的基本组成部分，对于深入了解其生物学功能至关重要。由于其微小的尺寸和极度的脆弱性，很难确定这些结构。要获得足够的分辨率的数据，需要使用高剂量的高能X射线辐射，不幸的是，这不可避免地破坏了主要要研究的蛋白质。
现在，来自汉堡的MPSD和DESY的研究人员开发了一种创新的新方法，该方法避免了这些陷阱，并使用了可访问的，具有成本效益的技术。他们描述新方法的工作现已发表在《自然通讯》上。
几十年来，来自物理学，生物学和生物化学等许多领域的研究人员已将他们的创造力倾注于规避辐射损害难题上。当前的方法包括在汉堡的新型欧洲X射线自由电子激光(EuXFEL)等设施中使用极短而强烈的X射线闪光，该设备可以在蛋白质爆炸之前拍摄曝光良好的蛋白质图像。
尽管此方法在获得高分辨率蛋白质结构方面取得了惊人的成功，但是要产生所需亮度的X射线束，则必须使用大型且昂贵的粒子促进剂。例如，在汉堡的结构系统生物学中心(CSSB)广泛实践的一种高效替代方法是，完全放弃X射线，而改用电子束，这种电子束对精致的生物分子更柔和且更易于生成。
在电子显微镜中从数千个微小晶体(右)收集衍射图样(左)的慢动作电影。图片来源：RobertBücker自由电子激光科学中心(CFEL)的MPSD / DESY研究小组巧妙地将这种方法与大数据计算以及相机技术的最新改进相结合，并设法从相对容易获得的纳米颗粒中获得了高分辨率的蛋白质结构。 -晶体。为此，他们通过适应X射线晶体学界已知的实验方法，开发了一种称为串行电子衍射的技术，该技术可从数千个晶体中依次获取和处理衍射图样。
他们没有部署诸如EuXFEL之类的十亿欧元的仪器，而是将这些晶体简单地分布在碳薄膜上，然后将它们插入到无处不在的透射电子显微镜中。使电子束从一个纳米晶体跳到下一纳米晶体以获得衍射数据。除了节省通常稀有且昂贵的样品上的材料之外，利用纳米晶体还意味着研究人员不再需要按照旧的(X射线)方法生长大型蛋白质晶体，而这项工作通常被证明是非常困难的。
为了解决电子束造成的损害，而不是只拍摄一张照片，而是在电子束停留在每个晶体上的同时，使用高速相机记录短片。在这部电影中，人们可以从字面上观察“融化”晶体中的蛋白质，但是，在这部衍射-衍射-破坏电影中，有足够的信息来重建数据，就好像完全没有损坏一样。对数千个纳米晶体重复此过程，并使用DESY开发的专用软件在数小时内将大量数据转换为高分辨率蛋白质结构。
除蛋白质和其他生物分子外，串联电子衍射还适用于许多新型功能材料，例如钙钛矿和金属有机骨架，所有这些都有望在太阳能电池和储氢方面得到未来应用。研究团队对这种创新技术的易用性感到兴奋，因为它对设备的要求低，适用性广。他们预计它将从MPSD传播到全世界的实验室。