Neutrones electrizantes:la espectroscopia de pérdida de energía de electrones monocromáticos en el microscopio electrónico de transmisión de barrido se utiliza para distinguir entre moléculas que difieren solo en un solo neutrón en un solo átomo. El haz de electrones puede capturar cambios en las diminutas vibraciones moleculares de un aminoácido causadas por el neutrón extra sin dañar la muestra y con una resolución espacial sin precedentes. Crédito:Andy Sproles / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Una nueva técnica de microscopía electrónica que detecta los cambios sutiles en el peso de las proteínas a nanoescala, mientras mantiene la muestra intacta, podría abrir una nueva vía para profundizar, estudios más completos de los componentes básicos de la vida.
Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía descritos en la revista Ciencias el primer uso de un microscopio electrónico para identificar directamente isótopos en aminoácidos a nanoescala sin dañar las muestras.
Los isótopos se utilizan comúnmente para marcar moléculas y proteínas. Midiendo las variaciones en las firmas vibratorias de la molécula, el microscopio electrónico puede rastrear isótopos con una precisión espectral y una resolución espacial sin precedentes.
La técnica no destruye los aminoácidos, permitiendo la observación en el espacio real de la química dinámica y creando una base para una gran cantidad de descubrimientos científicos, desde estructuras biológicas simples hasta complejas en todas las ciencias de la vida.
"La forma en que entendemos la progresión de las enfermedades, El metabolismo humano y otros fenómenos biológicos complicados se basan en interacciones entre proteínas, "dijo Jordan Hachtel, Becario postdoctoral ORNL y autor principal. "Estudiamos estas interacciones etiquetando proteínas específicas con un isótopo y luego rastreando a través de una reacción química para ver a dónde fue y qué hizo".
Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones, o MAC-STEM, La técnica que detecta los cambios sutiles en el peso de las proteínas a nanoescala, mientras mantiene la muestra intacta, es el complemento perfecto para un experimento de espectrometría de masas a macroescala. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
"Ahora, podemos rastrear etiquetas isotópicas directamente con el microscopio electrónico, lo que significa que podemos hacerlo con una resolución espacial comparable al tamaño real de las proteínas, "Añadió Hachtel.
Su novedoso experimento, que tuvo lugar en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, usó espectroscopía de pérdida de energía de electrones monocromáticos, o EELS, en un microscopio electrónico de transmisión de barrido, o STEM. La técnica que utilizaron los científicos es lo suficientemente sensible como para distinguir entre moléculas que se diferencian por un solo neutrón en un solo átomo. EELS se utilizó para capturar las diminutas vibraciones en la estructura molecular de un aminoácido.
"Las etiquetas isotópicas se ven típicamente a nivel macroscópico usando espectrometría de masas, una herramienta científica que revela el peso atómico y la composición isotópica de una muestra, "dijo Juan Carlos Idrobo, Científico del personal de ORNL y autor correspondiente. "La espectrometría de masas tiene una resolución de masas increíble, pero normalmente no tiene una resolución espacial nanométrica. Es una técnica destructiva ".
Un espectrómetro de masas usa un haz de electrones para romper una molécula en fragmentos cargados que luego se caracterizan por su relación masa / carga. Observando la muestra a macroescala, los científicos sólo pueden inferir estadísticamente qué enlaces químicos es probable que hayan existido en la muestra. La muestra se destruye durante el experimento, dejando información valiosa sin descubrir.
La nueva técnica de microscopía electrónica, según lo aplicado por el equipo de ORNL, ofrece un enfoque más suave. Al colocar el haz de electrones muy cerca de la muestra, pero sin tocarlo directamente, los electrones pueden excitar y detectar las vibraciones sin destruir la muestra, permitiendo la observación de muestras biológicas a temperatura ambiente durante períodos de tiempo más prolongados.
El equipo de investigación interdisciplinario de ORNL que llevó el etiquetado isotópico libre de daños a la nanoescala en el microscopio electrónico incluye, desde la izquierda, Jacek Jakowski, Santa Jansone-Popova, Juan Carlos Idrobo, Jingsong Huang, Jong Keum, Jordan Hachtel e Ilja Popovs, todo ORNL. No en la foto Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby y Ondrej L. Krivanek de Nion Co. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Su resultado constituye un gran avance para la microscopía electrónica, Dado que el haz de electrones cargado negativamente es típicamente sensible solo a los protones, y no los neutrones. "Sin embargo, la frecuencia de las vibraciones moleculares depende del peso atómico, y la medición precisa de estas frecuencias vibratorias abre el primer canal directo para medir isótopos en el microscopio electrónico, "dijo Idrobo.
El equipo de investigación dirigido por ORNL espera que su tecnología potencialmente revolucionaria no reemplace sino que complemente la espectrometría de masas y otras técnicas convencionales basadas en neutrones y ópticas que se utilizan actualmente para detectar etiquetas isotópicas.
"Nuestra técnica es el complemento perfecto para un experimento de espectrometría de masas a macroescala, "Hachtel dijo." Con el conocimiento previo de la espectrometría de masas, podemos entrar y resolver espacialmente dónde terminan las etiquetas isotópicas en una muestra del espacio real ".
Más allá de las ciencias de la vida, la técnica podría aplicarse a otras materias blandas como los polímeros, y potencialmente en materiales cuánticos donde la sustitución isotópica puede desempeñar un papel clave en el control de la superconductividad.
