一種新的電子顯微鏡技術(shù)可以檢測納米級蛋白質(zhì)重量的細微變化 - 同時保持樣品的完整性 - 可以為更深入，更全面的生命基本構(gòu)建研究開辟新的途徑。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家在“ 科學 ”雜志上描述了第一次使用電子顯微鏡直接識別納米級氨基酸中的同位素而不損壞樣品。

同位素通常用于標記分子和蛋白質(zhì)。通過測量分子振動特征的變化，電子顯微鏡可以以前所未有的光譜精度和空間分辨率跟蹤同位素。

該技術(shù)不會破壞氨基酸，允許動態(tài)化學的真實空間觀察，并為生命科學中從簡單到復雜的生物結(jié)構(gòu)的大量科學發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

“我們了解疾病，人體新陳代謝和其他復雜生物現(xiàn)象的進展方式是基于蛋白質(zhì)之間的相互作用，”ORNL博士后研究員，第一作者Jordan Hachtel說。“我們通過用同位素標記特定蛋白質(zhì)來研究這些相互作用，然后通過化學反應(yīng)跟蹤它，看看它去了哪里以及它做了什么。”

“現(xiàn)在，我們可以直接用電子顯微鏡跟蹤同位素標記，這意味著我們可以用與蛋白質(zhì)實際大小相當?shù)目臻g分辨率來做到這一點，”Hachtel補充道。

他們的新實驗發(fā)生在ORNL的納米材料科學中心，在掃描透射電子顯微鏡或STEM中使用單色電子能量損失光譜或EELS?？茖W家使用的技術(shù)足夠敏感，可以區(qū)分單個原子上單個中子不同的分子。EELS用于捕獲氨基酸分子結(jié)構(gòu)中的微小振動。

“通常使用質(zhì)譜法在宏觀層面上看到同位素標記，質(zhì)譜是一種顯示樣品原子量和同位素組成的科學工具，”ORNL的科學家兼通訊作者Juan Carlos Idrobo說。“質(zhì)譜分析具有令人難以置信的質(zhì)量分辨率，但它通常不具有納米空間分辨率。這是一種破壞性技術(shù)。”

質(zhì)譜儀使用電子束將分子分解成帶電碎片，然后通過它們的質(zhì)荷比表征。在宏觀尺度上觀察樣本，科學家們只能從統(tǒng)計學上推斷出樣本中可能存在的化學鍵。樣本在實驗過程中被破壞，留下未被發(fā)現(xiàn)的有價值的信息。

由ORNL團隊應(yīng)用的新電子顯微鏡技術(shù)提供了一種更溫和的方法。通過將電子束定位得非?？拷鼧悠?，但不直接接觸它，電子可以在不破壞樣品的情況下激發(fā)和檢測振動，從而允許在更長的時間段內(nèi)在室溫下觀察生物樣品。

它們的結(jié)果構(gòu)成了電子顯微鏡的突破，因為帶負電的電子束通常僅對質(zhì)子敏感，而不對中子敏感。“然而，分子振動的頻率取決于原子量，并且這些振動頻率的精確測量開啟了在電子顯微鏡中測量同位素的第一個直接通道，”Idrobo說。

ORNL領(lǐng)導的研究團隊預(yù)計他們潛在的改變游戲規(guī)則的技術(shù)不會取代現(xiàn)在用于檢測同位素標記的質(zhì)譜和其他傳統(tǒng)的基于光學和中子的技術(shù)。

“我們的技術(shù)是宏觀質(zhì)譜實驗的完美補充，”Hachtel說。“通過對質(zhì)譜的預(yù)先了解，我們可以進入并在空間上解決同位素標記最終存在于真實空間樣本中的位置。”

除了生命科學之外，該技術(shù)還可以應(yīng)用于其他軟物質(zhì)，如聚合物，也可能應(yīng)用于量子材料，其中同位素替代可以在控制超導性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。