Επιστήμονες παρουσίασαν μια νέα μέθοδο βασισμένη σε laser που επιτρέπει σε ένα κρυογονικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο να απεικονίζει μικρές πρωτεΐνες με σημαντικά μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό,τι ήταν εφικτό μέχρι σήμερα. Η τεχνική αυτή ενισχύει την αντίθεση στις εικόνες της cryo-EM, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μελέτη βιομορίων που μέχρι τώρα ήταν δύσκολο να παρατηρηθούν.
Το πρόβλημα της απεικόνισης μικρών πρωτεϊνών
Η cryo-EM χρησιμοποιείται ευρέως για την αποκρυπτογράφηση της δομής πολύπλοκων βιομορίων. Τα δείγματα καταψύχονται ώστε να διατηρούνται σε σχεδόν φυσική κατάσταση, ενώ μειώνεται και η φθορά από τη δέσμη ηλεκτρονίων.
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν ασθενώς με τα βιολογικά δείγματα, με αποτέλεσμα χαμηλή αντίθεση στις εικόνες. Αυτό, σε συνδυασμό με τον θόρυβο, περιορίζει την ικανότητα απεικόνισης μικρών πρωτεϊνών, οι οποίες αποτελούν περίπου το 90% των πρωτεϊνών στον ανθρώπινο οργανισμό.
Η λύση του laser phase plate
Η ομάδα του Holger Müller στο University of California, Berkeley ανέπτυξε μια μέθοδο ελέγχου της φάσης της δέσμης ηλεκτρονίων μέσω ισχυρού laser. Το λεγόμενο laser phase plate αλλάζει τη φάση των ηλεκτρονικών κυμάτων μέσω φαινομένου που σχετίζεται με τη διεγερμένη σκέδαση Compton.
Η βασική ιδέα είναι να επιτευχθεί μια μετατόπιση φάσης κατά 90°, ώστε να ενισχυθεί η αντίθεση μεταξύ του σήματος που περνά χωρίς σκέδαση και του σήματος που επηρεάζεται από το δείγμα, δημιουργώντας πιο καθαρές εικόνες.
Τεχνικές προκλήσεις και εξέλιξη
Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη μετατόπιση φάσης, απαιτούνται εξαιρετικά υψηλές εντάσεις laser της τάξης των 400 GW/cm². Αυτό είχε αρχικά επιτευχθεί μόνο με παλμικά laser.
Το 2021, η ομάδα κατάφερε να εγκλωβίσει ένα συνεχές laser μέσα σε οπτική κοιλότητα με καμπύλους καθρέφτες, επιτυγχάνοντας ισχύ 80 kW και πολύ υψηλή εστίαση της δέσμης. Η σταθερότητα του συστήματος παραμένει πρόκληση, καθώς η ακτινοβολιακή πίεση μπορεί να μεταβάλει τη γεωμετρία των κατόπτρων και να διαταράξει τη συντονισμένη λειτουργία.
Αποτελέσματα σε πρωτεΐνες
Η νέα τεχνική δοκιμάστηκε σε δύο δείγματα, την aldolase και την αιμοσφαιρίνη. Και στις δύο περιπτώσεις υπήρξε βελτίωση της ανάλυσης εικόνας, με τη μεγαλύτερη πρόοδο να παρατηρείται στην αιμοσφαιρίνη.
Η ανάλυση της αιμοσφαιρίνης βελτιώθηκε από 4,46 angstroms σε 3,09 angstroms όταν ενεργοποιήθηκε το laser phase plate, δείχνοντας σημαντική αύξηση της διακριτικής ικανότητας.
Προοπτικές για τη βιολογία
Η μέθοδος αναμένεται να επηρεάσει και την cryo-electron tomography, η οποία επιτρέπει την τρισδιάστατη απεικόνιση δομών μέσα σε κύτταρα. Επιπλέον, η δυνατότητα απεικόνισης «εντός εστίασης» μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την ανάλυση χωρίς την ανάγκη παραδοσιακής αποεστίασης της δέσμης ηλεκτρονίων.
Επιστήμονες όπως ο Richard Henderson θεωρούν ότι η τεχνολογία αυτή μπορεί να επεκτείνει σημαντικά τα όρια της cryo-EM, επιτρέποντας τη μελέτη ακόμη μικρότερων πρωτεϊνών από ποτέ.