Получение изображений искусственных белков на атомном уровне

Наука

Ученые создали тонкие, похожие на бумагу кристаллические листы, используя синтетическую белковоподобную молекулу, называемую полипептоидом. Эти нанолисты имеют толщину всего в одну молекулу, причем молекулы расположены очень специфическим образом. Ученые получают изображения этих нанолистов с помощью электронных микроскопов в криогенных условиях. До недавнего времени эти изображения были размытыми из-за крошечного количества электронов, которые могут проходить через листы, не вызывая повреждений. В этом исследовании исследователи использовали алгоритмы, основанные на машинном обучении, для обработки около 500 000 независимых изображений. В результате получилось первое четкое изображение отдельных атомов мягкого синтетического материала в реальном пространстве.

Влияние

Синтетические полимеры необходимы для многих продуктов, которые мы воспринимаем как должное. Они варьируются от пластиковой мебели до фюзеляжей современных самолетов. Они также лежат в основе таких устройств, как топливные элементы и аккумуляторные батареи. Эти устройства становятся все более важными в формирующейся среде чистой энергии. Все важные свойства синтетических полимеров зависят от расположения их атомов. Способность ученых размещать отдельные атомы в полимерных материалах улучшит наше понимание узких мест, ограничивающих характеристики синтетических полимеров. Это исследование также знаменует собой важный шаг в нанонауке в целом.

Резюме

Впервые ученые раскрыли детали атомной структуры мягкого синтетического материала. Пептоидные диблок-сополимеры состоят из двух различных белковоподобных цепей, связанных вместе. Эти материалы были разработаны так, чтобы плотно прилегать друг к другу и образовывать в воде высокоорганизованные кристаллические слои. Отдельные молекулы и их относительная ориентация в нанолистах наблюдались непосредственно с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии (крио-ПЭМ), выявляя детали атомов в позиционном пространстве, недоступном для обычных методов рассеяния. Ультрахолодная температура, используемая для мгновенной заморозки нанолистов, эффективно фиксирует молекулы на месте. Визуализация образца в криогенных условиях помогла предотвратить разрушение структуры энергичными электронами. Чтобы еще больше защитить мягкие материалы от электронного луча, исследователи использовали меньшее количество электронов на изображение. Изображения, полученные в этих условиях, обрабатывались с использованием сложных математических инструментов и алгоритмов машинного обучения для получения изображений структуры атомного масштаба с высоким разрешением.

Комбинированный прецизионный синтез пептоидных полимеров, атомная визуализация крио-ПЭМ и компьютерное моделирование помогли ученым понять структуры полимеров на атомном уровне. Теперь исследователи могут вносить изменения на атомарном уровне для создания целевых молекул. Это открывает путь к рациональной разработке сложных функций мягких материалов посредством систематического контроля их химической структуры. Исследование было частично проведено в двух пользовательских объектах Министерства энергетики, в Molecular Foundry и Advanced Light Source.

Финансирование

Эта работа финансировалась Отделом науки Министерства энергетики, Отделом фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерного дела. Работа в Molecular Foundry и Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли поддерживалась пользовательскими проектами на этих пользовательских объектах при поддержке Министерства энергетики, Управления науки, Управления фундаментальных энергетических наук. Представленные здесь микрофотографии были получены на установке Donner Cryo-TEM в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и на установке Cryo-TEM в Berkeley Bay Area в Калифорнийском университете в Беркли.

Источник:

Ссылка на журнал:

Сюань, С., и другие. (2021) Инженерия на атомном уровне и построение изображений кристаллических решеток полипептоидов. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.1909992116.

.

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.