Nêutrons eletrificantes:A espectroscopia de perda de energia de elétrons monocromada no microscópio eletrônico de transmissão de varredura é usada para distinguir entre moléculas que diferem apenas por um único nêutron em um único átomo. O feixe de elétrons pode capturar mudanças nas vibrações moleculares mínimas de um aminoácido causadas pelo nêutron extra sem danificar a amostra e com resolução espacial sem precedentes. Crédito:Andy Sproles / Laboratório Nacional Oak Ridge, Departamento de Energia dos EUA
Uma nova técnica de microscopia eletrônica que detecta as mudanças sutis no peso das proteínas em nanoescala - enquanto mantém a amostra intacta - poderia abrir um novo caminho para aprofundar, estudos mais abrangentes dos blocos de construção básicos da vida.
Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, descritos no jornal Ciência o primeiro uso de um microscópio eletrônico para identificar diretamente isótopos em aminoácidos em nanoescala sem danificar as amostras.
Os isótopos são comumente usados para rotular moléculas e proteínas. Ao medir as variações nas assinaturas vibracionais da molécula, o microscópio eletrônico pode rastrear isótopos com precisão espectral e resolução espacial sem precedentes.
A técnica não destrói os aminoácidos, permitindo a observação no espaço real da química dinâmica e criando uma base para uma série de descobertas científicas de estruturas biológicas simples a complexas nas ciências da vida.
“A forma como entendemos a progressão das doenças, o metabolismo humano e outros fenômenos biológicos complicados são baseados em interações entre proteínas, "disse Jordan Hachtel, Bolsista de pós-doutorado e autor principal do ORNL. "Nós estudamos essas interações rotulando proteínas específicas com um isótopo e, em seguida, rastreando-as por meio de uma reação química para ver para onde foram e o que fizeram."
Os cientistas do Oak Ridge National Laboratory usaram um monocromado, microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração, ou MAC-STEM, técnica que detecta as mudanças sutis no peso das proteínas em nanoescala - enquanto mantém a amostra intacta - é o complemento perfeito para um experimento de espectrometria de massa em macroescala. Crédito:Carlos Jones / Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA
"Agora, podemos rastrear marcadores isotópicos diretamente com o microscópio eletrônico, o que significa que podemos fazer isso com uma resolução espacial comparável ao tamanho real das proteínas, "Hachtel acrescentou.
Seu novo experimento, que aconteceu no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL, usou espectroscopia de perda de energia de elétron monocromada, ou EELS, em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura, ou STEM. A técnica que os cientistas usaram é sensível o suficiente para distinguir entre moléculas que diferem por um único nêutron em um único átomo. EELS foi usado para capturar as vibrações mínimas na estrutura molecular de um aminoácido.
"As etiquetas isotópicas são normalmente vistas no nível macroscópico usando espectrometria de massa, uma ferramenta científica que revela o peso atômico e a composição isotópica de uma amostra, "disse Juan Carlos Idrobo, Cientista da equipe do ORNL e autor correspondente. "A espectrometria de massa tem uma resolução de massa incrível, mas normalmente não tem resolução espacial nanométrica. É uma técnica destrutiva. "
Um espectrômetro de massa usa um feixe de elétrons para quebrar uma molécula em fragmentos carregados que são caracterizados por sua razão massa-carga. Observando a amostra em macroescala, os cientistas podem apenas inferir estatisticamente quais ligações químicas provavelmente existiram na amostra. A amostra é destruída durante o experimento, deixando informações valiosas por descobrir.
A nova técnica de microscopia eletrônica, conforme aplicado pela equipe ORNL, oferece uma abordagem mais suave. Ao posicionar o feixe de elétrons extremamente perto da amostra, mas sem tocá-lo diretamente, os elétrons podem excitar e detectar as vibrações sem destruir a amostra, permitindo observações de amostras biológicas em temperatura ambiente por longos períodos de tempo.
A equipe de pesquisa interdisciplinar do ORNL que trouxe a marcação isotópica livre de danos para a nanoescala no microscópio eletrônico inclui, Da esquerda, Jacek Jakowski, Santa Jansone-Popova, Juan Carlos Idrobo, Jingsong Huang, Jong Keum, Jordan Hachtel e Ilja Popovs, todo ORNL. Não retratado, Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby e Ondrej L. Krivanek da Nion Co. Crédito:Carlos Jones / Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA
Seu resultado constitui um avanço para a microscopia eletrônica, uma vez que o feixe de elétrons com carga negativa é tipicamente sensível apenas aos prótons, e não os nêutrons. "Contudo, a frequência das vibrações moleculares depende do peso atômico, e a medição precisa dessas frequências vibracionais abre o primeiro canal direto para medir isótopos no microscópio eletrônico, "disse Idrobo.
A equipe de pesquisa liderada pelo ORNL espera que sua tecnologia potencialmente revolucionária não substitua, mas sim complemente a espectrometria de massa e outras técnicas convencionais baseadas em nêutrons e ópticas usadas atualmente para detectar marcadores isotópicos.
"Nossa técnica é o complemento perfeito para um experimento de espectrometria de massa em macroescala, "Hachtel disse." Com o conhecimento prévio da espectrometria de massa, podemos entrar e resolver espacialmente onde os rótulos isotópicos estão terminando em uma amostra do espaço real. "
Além das ciências da vida, a técnica pode ser aplicada a outras matérias moles, como polímeros, e potencialmente em materiais quânticos onde a substituição isotópica pode desempenhar um papel fundamental no controle da supercondutividade.
