Świat atomów i cząsteczek: jak dzięki różnym metodom obrazowania zobaczyć “całego słonia”

Rys: Źródło: materiały prasowe MIBMiK
Rys: Źródło: materiały prasowe MIBMiK

Budowę molekuł tworzących komórki można poznać za pomocą różnych technik obrazowania. Uzyskiwane w ten sposób mapy tych samych struktur wbrew pozorom nieco różnią się jednak między sobą. Żeby poznać prawdę o molekułach, potrzebna jest nie tylko kombinacja technik, ale i zrozumienie, jak badają one materię - zwraca uwagę prof. Matthias Bochtler z MIBMiK.

Artykuł w "Structure" autorstwa prof. Matthiasa Bochtlera z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, omawia różne sposoby analizy struktur biomolekuł z użyciem promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów. W swojej pracy naukowiec określił, jak mapy o rozdzielczości atomowej różnią się między sobą w zależności od sposobu obrazowania.

Jeśli chcemy poznać kształt krzesła czy kubka, nie musimy się specjalnie starać - wystarczy, że postawimy te obiekty w świetle widzialnym. Fotony, które dotrą z tych przedmiotów do naszych oczu, pozwolą nam łatwo ustalić badany kształt. Nieco trudniej jest z obiektami znacznie mniejszymi - np. białkami, kwasami nukleinowymi, hormonami. W badaniu ich struktur nie wystarczy światło widzialne. Posłużyć się trzeba nieco innym “oświetleniem” - wiązkami promieniowania rentgenowskiego, elektronów lub neutronów.

“Każda z tych metod dostrojona jest do różnych aspektów materii, dlatego uzyskiwane w różnych technikach mapy tych samych struktur różnią się między sobą” - czytamy w komunikacie MIBMiK na temat tych badań.

Problem opisany w badaniach prof. Bochtlera porównano tam ze starą hinduską bajką o ślepcach, którzy próbowali opisać słonia. “Każdy z obserwatorów może (za pomocą dotyku- przyp. PAP) zbadać tylko fragment zwierzęcia, a zatem nie jest w stanie uchwycić całej złożoności badanego obiektu” - porównano w komunikacie MIBMiK przesłanym serwisowi Nauka w Polsce. Analogicznie wśród dostępnych metod obrazowania każda bada różne aspekty materii. Okazuje więc badany obiekt z nieco innej perspektywy. “Aby ‘zobaczyć całego słonia’, potrzebujemy kombinacji technik i dogłębnej wiedzy na temat sposobu, w jaki badają one materię” - komentują przedstawiciele instytutu.

Problem opisany w badaniach prof. Bochtlera porównano tam ze starą hinduską bajką o ślepcach, którzy próbowali opisać słonia. Źródło: materiały prasowe MIBMiK

I tak promieniowanie rentgenowskie wykrywa gęstość elektronową, podczas gdy elektrony - potencjał elektrostatyczny. Z kolei neutrony są wrażliwe na długość koherentnego rozpraszania jądrowego (NCSL).

W przypadku elektronów - zwraca uwagę MIBMiK - uzyskanie rozdzielczości atomowej jest stosunkowo nowym osiągnięciem, nazwanym "rewolucją rozdzielczości". Co ciekawe, nie jest całkowicie jasne, jaki dokładnie obraz (mapę) "powinno" się zobaczyć, używając elektronów do obrazowania o wysokiej rozdzielczości, nawet w przypadku znanych wcześniej struktur.

Bochtlera zainspirowała technika kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM), która pozwoliła na uzyskanie pierwszych map o rozdzielczości atomowej przez grupy prof. Holgera Starka i dr. Ashwina Chari. Mapy te wykazały nieoczekiwane efekty wykorzystania strumienia elektronów do obrazowania. Prof. Bochtler przeanalizował na nowo te prace. “Mapy gęstości elektronowej (ED) uzyskane z użyciem wiązki promieni rentgenowskich oraz mapy potencjału elektrostatycznego (ESP) uzyskane z użyciem wiązki elektronów są powszechnie uważane za równoważne, z wyjątkiem różnic wynikających z błędów pomiarowych. Nasze wyniki pokazują, że założenie to nie jest w pełni słuszne” - wyjaśnia naukowiec z MIBMiK.

“Rewolucja rozdzielczości w kriomikroskopii elektronowej oferuje fascynujące możliwości. Aby móc je w pełni wykorzystać, musimy rozumieć, co mapy te naprawdę pokazują” - stwierdza prof. Matthias Bochtler.

Korzystając z zaawansowanych modeli teoretycznych, takich jak teoria funkcjonału gęstości (DFT) i wzór Bethego-Motta, prof. Bochtler wykazał, że mapy ED i ESP różnią się znacząco w zakresie obrazowania poszczególnych atomów, co znajduje szczególne odzwierciedlenie w przypadku atomów obdarzonych (cząstkowym) ładunkiem. Wykazał również, że zarówno stosunek wkładów od lżejszych i cięższych atomów, jak i wrażliwość na wiązania chemiczne obejmujące zewnętrzne powłoki atomowe oraz ładunek, zależą od rodzaju użytej wiązki.

Badania prof. Bochtlera opublikowane w "Structure" pogłębiają zrozumienie teoretycznych podstaw obrazowania i zwiększają potencjał wykorzystania kriomikroskopii elektronowej w praktyce, w tym w projektowaniu leków.

Jego analiza wskazuje, że wiązki promieniowania rentgenowskiego, elektronów i neutronów są dostrojone do różnych aspektów materii, a zatem są źródłem komplementarnych informacji. Promieniowanie rentgenowskie wykrywa gęstość elektronową, podczas gdy elektrony - potencjał elektrostatyczny. Z kolei neutrony są wrażliwe na długość koherentnego rozpraszania jądrowego (NCSL). - “Rewolucja rozdzielczości w kriomikroskopii elektronowej oferuje fascynujące możliwości. Aby móc je w pełni wykorzystać, musimy rozumieć, co mapy te naprawdę pokazują” - stwierdza prof. Matthias Bochtler.

“Innowacyjna praca analityczna prof. Bochtlera opublikowana w Structure jest doskonałym przykładem tego, jak nauki biologiczne są integralną częścią STEM - nauk przyrodniczych, technologii, inżynierii i matematyki – które łącząc się, umożliwiają zrozumienie podstaw świata, w którym żyjemy” - komentują przedstawiciele jego instytutu.

Nauka w Polsce

lt/ zan/

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj także

  • Fot. Adobe Stock

    Czas na przybyszów z przyszłości? Dlaczego nie! Fizycy zrobili w teorii miejsce na tachiony

  • fot. materiały prasowe WAT/VIGO Photonics S.A.

    Trwają prace nad polską matrycą detektorów dalekiej podczerwieni

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

newsletter

Zapraszamy do zapisania się do naszego newslettera