Obrazowanie atomowe białek syntetycznych

Nauki ścisłe

Naukowcy stworzyli cienkie, przypominające papier arkusze kryształów, używając syntetycznej cząsteczki podobnej do białka zwanej polipeptoidem. Te nanoarkusze mają grubość zaledwie jednej cząsteczki, a cząsteczki są ułożone w bardzo specyficzny sposób. Naukowcy robią zdjęcia tych nanoarkuszy za pomocą mikroskopów elektronowych w warunkach kriogenicznych. Do niedawna obrazy te były nieostre z powodu małej liczby elektronów, które mogą przejść przez płytki bez powodowania uszkodzeń. W tym badaniu naukowcy wykorzystali algorytmy oparte na uczeniu maszynowym do przetworzenia około 500 000 niezależnych obrazów. Rezultatem jest pierwszy wyraźny obraz pojedynczych atomów w przestrzeni rzeczywistej w miękkim materiale syntetycznym.

wpływ

Polimery syntetyczne są niezbędne w wielu produktach, które uważamy za oczywiste. Obejmują one od plastikowych mebli po nowoczesne płatowce. Jest również sercem urządzeń takich jak ogniwa paliwowe i akumulatory. Urządzenia te mają coraz większe znaczenie w powstającym krajobrazie czystej energii. Wszystkie ważne właściwości polimerów syntetycznych zależą od ułożenia ich atomów. Zdolność naukowców do umieszczania pojedynczych atomów w materiałach polimerowych poprawi naszą wiedzę na temat wąskich gardeł, które ograniczają wydajność polimerów syntetycznych. Badania te stanowią również ważny krok w całej nanonauce.

streszczenie

Po raz pierwszy naukowcy ujawnili szczegóły struktury atomowej miękkiego materiału syntetycznego. Dwublokowe kopolimery peptoidowe składają się z dwóch różnych połączonych ze sobą łańcuchów białkopodobnych. Materiały te są zaprojektowane tak, aby ściśle do siebie pasowały, tworząc w wodzie wysoce zorganizowane kryształy. Poszczególne cząsteczki i ich względne orientacje w nanoarkuszach były bezpośrednio obserwowane za pomocą kriogenicznej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (cryo-TEM), ujawniając szczegóły atomowe w przestrzeni miejsca niedostępnej konwencjonalnymi technikami rozpraszania. Wyjątkowo niska temperatura stosowana w szybkim zamrażaniu nanoarkuszów skutecznie blokuje cząsteczki na miejscu. Obrazowanie próbki w warunkach chłodzenia pomogło zapobiec niszczeniu struktury przez energetyczne elektrony. Aby dodatkowo chronić miękkie materiały przed wiązką elektronów, naukowcy wykorzystali mniej elektronów na obraz. Obrazy uzyskane w tych warunkach zostały przetworzone przy użyciu zaawansowanych narzędzi matematycznych i algorytmów uczenia maszynowego w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości obrazów struktury skali atomowej.

Współprecyzyjna synteza polimerów peptoidowych, obrazowanie atomowe Cryo-TEM i modelowanie komputerowe pomogły naukowcom zrozumieć struktury polimerów na poziomie atomowym. Naukowcy mogą teraz dokonywać modyfikacji na poziomie atomowym, aby zaprojektować cząsteczki docelowe. To otwiera drogę do racjonalnej inżynierii złożonych funkcji w miękkich materiałach poprzez systematyczną kontrolę ich składu chemicznego. Badania przeprowadzono częściowo w dwóch ośrodkach użytkowników DOE, Odlewni Molekularnej i Zaawansowanego Źródła Światła.

Finanse

Praca ta została sfinansowana przez Wydział Energii, Biuro Naukowe, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, Wydział Inżynierii Materiałowej. Prace nad Odlewnią Molekularną i Zaawansowanym Źródłem Światła w Lawrence Berkeley National Laboratory były wspierane przez projekty użytkowników w tych obiektach użytkowników, przy wsparciu Departamentu Energii, Biura Nauki, Biura Podstawowych Nauk Energetycznych. Przedstawione tutaj mikrofotografie zostały uzyskane w ośrodku Donner Cryo-TEM w Lawrence Berkeley National Laboratory oraz w ośrodku Cryo-TEM w rejonie Berkeley Bay w UC Berkeley.