El trabajo pionero de los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) jugó un papel clave en el Premio Nobel de Química de 2017, premiado hoy, honrando el desarrollo de la microscopía crioelectrónica, o crio-EM, una técnica de imágenes que ha lanzado los campos de la biología estructural y la bioquímica a una nueva y emocionante era de descubrimientos.

Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson fueron galardonados con el Nobel por su trabajo fundamental en microscopía crioelectrónica, que utiliza electrones para obtener imágenes de muestras que se han congelado en medio del movimiento, expandiendo una técnica que se había utilizado anteriormente para materia muerta o inanimada a proteínas y otras biomoléculas.

En el contexto científico que detalla el desarrollo de cryo-EM, el comité del Nobel destacó una "serie de desarrollos críticos" que han permitido aprovechar al máximo los logros de los premios Nobel. Citaron varios artículos escritos en coautoría por los científicos de Berkeley Lab, Robert Glaeser, Ken Downing, y Peter Denes.

Glaeser, quien también es profesor emérito de bioquímica de UC Berkeley, fue parte de los años de formación de Cryo-EM. (Notablemente, Glaeser fue asesor del ganador del Nobel Joachim Frank cuando era investigador postdoctoral en UC Berkeley a principios de la década de 1970. Frank también fue investigador principal en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab, o NERSC, desde 2004-2006.).

Glaeser y sus colegas fueron de los primeros en mostrar la importancia de congelar las muestras a temperaturas de nitrógeno líquido para protegerlas del daño de los intensos haces de electrones. El comité Nobel destacó la investigación de Glaeser sobre la cuantificación del daño por radiación inducida por electrones y la orientación para el uso de dosis bajas de electrones promediadas en múltiples muestras.

Para minimizar el daño a la muestra, solo se utilizan unos pocos electrones para obtener imágenes de macromoléculas biológicas, creando imágenes "ruidosas". El uso de promedios está destinado a lidiar con ese "ruido, "pero requiere que las muestras estén alineadas con precisión. Eso creó un cuello de botella serio al administrar decenas a cientos de miles de imágenes.

Ingrese a la revolución habilitada por la nueva tecnología de detección directa, particularmente el tipo desarrollado por Peter Denes, un científico de planta superior en Berkeley Lab. En lugar de tomar una sola imagen para cada muestra, la cámara de detección directa dispara varios fotogramas que luego se juntan para crear una imagen de alta resolución. La tecnología se ha comparado con el proceso de grabación de una película, y elimina eficazmente el problema de la borrosidad o el ruido cuando la muestra se mueve.

Denes había estado desarrollando detectores basados ​​en tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) para aplicaciones en la ciencia de los materiales. El trabajo permitió la detección directa de electrones, que impactan directamente en los sensores de píxeles en una fina capa de silicio. El enfoque de última generación permitió el "recuento" directo de electrones y eliminó esencialmente el problema del ruido.

Su primer prototipo fue desarrollado para el Microscopio con corrección de aberraciones electrónicas de transmisión (TEAM), un proyecto financiado por el DOE en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), basado en Molecular Foundry de Berkeley Lab. Denes señaló que debido a que la tecnología se diseñó inicialmente para aplicaciones en ciencia de materiales, tenía que ser rápido para captar el movimiento de los átomos y revelar cómo se propagan los defectos.

El comité Nobel señaló específicamente la ventaja en velocidad, así como la mejor relación señal-ruido y resolución espacial en esta nueva generación de detectores.

Desde entonces, Gatan ha comercializado una versión de la cámara Berkeley Lab, C ª., con sede en Pleasanton, California, y utilizado en laboratorios de investigación, incluido el de Eva Nogales, científico de la facultad de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab.

El trabajo de Berkeley Lab para mejorar la tecnología de microscopía electrónica está en curso. Tanto Glaeser como Denes dieron crédito al ecosistema colaborativo en Berkeley Lab por fomentar la innovación en microscopía electrónica.

Este entorno colaborativo se destacó en un taller reciente sobre el "Futuro de la microscopía electrónica, "organizado el año pasado en Berkeley Lab por Denes; Andy Minor, Director de NCEM, y Paul Adams, director de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada.

"No puedo pensar en ningún otro lugar en los Estados Unidos que tenga la combinación de experiencia y recursos que tenemos aquí en Berkeley, "dijo Denes." La experiencia en microscopía electrónica, la sólida experiencia en investigación en ciencias biológicas y de materiales, los recursos informáticos de alto rendimiento, el historial de desarrollo de tecnología innovadora, están todos aquí bajo un mismo techo ".

En 2015, Denes, Downing y Uli Dahmen, ex director de NCEM, recibieron premios Lab Lifetime Achievement Awards por su trabajo de microscopía electrónica en Berkeley Lab.