O trabalho pioneiro de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desempenhou um papel fundamental no Prêmio Nobel de Química de 2017, premiado hoje, honrando o desenvolvimento da microscopia crioeletrônica, ou crio-EM, uma técnica de imagem que lançou os campos da biologia estrutural e bioquímica em uma excitante nova era de descobertas.

Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson receberam o Nobel por seu trabalho fundamental em microscopia crioeletrônica, que usa elétrons para imagens de amostras que foram congeladas em movimento, expandindo uma técnica que já havia sido usada para matéria morta ou inanimada para proteínas e outras biomoléculas.

Na base científica detalhando o desenvolvimento de crio-EM, o comitê do Nobel destacou uma "série de desenvolvimentos críticos" que tornaram possível aproveitar ao máximo as conquistas dos ganhadores do Nobel. Eles citaram vários artigos de coautoria dos cientistas do Berkeley Lab, Robert Glaeser, Ken Downing, e Peter Denes.

Glaeser, que também é professor emérito de bioquímica da UC Berkeley, fez parte dos anos de formação do cryo-EM. (Notavelmente, Glaeser foi consultor do ganhador do Nobel Joachim Frank quando ele era um pesquisador de pós-doutorado na UC Berkeley no início dos anos 1970. Frank também foi o investigador principal do Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional do Berkeley Lab, ou NERSC, de 2004 a 2006).

Glaeser e colegas foram os primeiros a mostrar a importância do congelamento de amostras às temperaturas do nitrogênio líquido para protegê-las dos danos causados ​​por feixes de elétrons intensos. O comitê do Nobel observou a pesquisa de Glaeser sobre a quantificação do dano por radiação induzida por elétrons e o fornecimento de orientação para o uso de doses médias de elétrons baixas em várias amostras.

Para minimizar os danos à amostra, apenas alguns elétrons são usados ​​para criar imagens de macromoléculas biológicas, criando imagens "ruidosas". O uso da média visa lidar com esse "ruído, "mas requer que as amostras sejam precisamente alinhadas. Isso criou um sério gargalo ao gerenciar dezenas a centenas de milhares de imagens.

Entre na revolução possibilitada pela nova tecnologia de detector direto, particularmente o tipo desenvolvido por Peter Denes, um cientista sênior da equipe do Berkeley Lab. Em vez de tirar uma única foto para cada amostra, a câmera de detecção direta dispara vários quadros que são colocados juntos para criar uma imagem de alta resolução. A tecnologia foi comparada ao processo de gravação de um filme, e elimina efetivamente o problema de desfoque ou ruído quando a amostra se move.

Denes vinha desenvolvendo detectores baseados na tecnologia de semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS) para aplicações em ciência de materiais. O trabalho permitiu a detecção direta de elétrons, que atingiu diretamente os sensores de pixel em uma fina camada de silício. A abordagem de última geração permitiu a "contagem" direta de elétrons e essencialmente eliminou o problema do ruído.

Seu primeiro protótipo foi desenvolvido para o microscópio corrigido por aberração de elétrons de transmissão (TEAM), um projeto financiado pelo DOE no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica (NCEM), baseado na Fundição Molecular do Berkeley Lab. Denes destacou que, como a tecnologia foi inicialmente projetada para aplicações na ciência dos materiais, precisava ser rápido para captar o movimento dos átomos e revelar como os defeitos se propagavam.

O comitê do Nobel observou especificamente a vantagem em velocidade, bem como a melhor relação sinal-ruído e resolução espacial nesta nova geração de detectores.

Desde então, uma versão da câmera do Berkeley Lab foi comercializada pela Gatan, Inc., baseado em Pleasanton, Califórnia, e usado em laboratórios de pesquisa, incluindo a de Eva Nogales, cientista docente da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada do Berkeley Lab.

O trabalho do Berkeley Lab no aprimoramento da tecnologia de microscopia eletrônica está em andamento. Tanto Glaeser quanto Denes creditaram o ecossistema colaborativo do Berkeley Lab por promover a inovação em microscopia eletrônica.

Este ambiente colaborativo foi destacado em um workshop recente sobre o "Futuro da Microscopia Eletrônica, "organizado no ano passado no Berkeley Lab por Denes; Andy Minor, Diretor NCEM, e Paul Adams, diretor da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada.

"Não consigo pensar em nenhum outro lugar nos Estados Unidos que tenha a combinação de experiência e recursos que temos aqui em Berkeley, "disse Denes." A experiência em microscopia eletrônica, a sólida formação em pesquisa científica biológica e de materiais, os recursos de computação de alto desempenho, o histórico de desenvolvimento de tecnologia inovadora, estão todos aqui sob o mesmo teto. "

Em 2015, Denes, Downing e Uli Dahmen, ex-diretor do NCEM, receberam o Lab Lifetime Achievement Awards por seu trabalho de microscopia eletrônica no Berkeley Lab.