Neutrons électrisants :La spectroscopie de perte d'énergie des électrons monochromatiques dans le microscope électronique à transmission à balayage est utilisée pour distinguer les molécules qui ne diffèrent que par un seul neutron sur un seul atome. Le faisceau d'électrons peut capturer les modifications des minuscules vibrations moléculaires d'un acide aminé causées par le neutron supplémentaire sans endommager l'échantillon et avec une résolution spatiale sans précédent. Crédit :Andy Sproles/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Une nouvelle technique de microscopie électronique qui détecte les changements subtils du poids des protéines à l'échelle nanométrique, tout en gardant l'échantillon intact, pourrait ouvrir une nouvelle voie pour des études plus approfondies des éléments de base de la vie.
Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie décrits dans le journal Science la première utilisation d'un microscope électronique pour identifier directement les isotopes dans les acides aminés à l'échelle nanométrique sans endommager les échantillons.
Les isotopes sont couramment utilisés pour marquer les molécules et les protéines. En mesurant les variations des signatures vibrationnelles de la molécule, le microscope électronique peut suivre les isotopes avec une précision spectrale et une résolution spatiale sans précédent.
La technique ne détruit pas les acides aminés, permettant l'observation dans l'espace réel de la chimie dynamique et créant une base pour une multitude de découvertes scientifiques allant de structures biologiques simples à complexes dans les sciences de la vie.
« La façon dont nous comprenons la progression des maladies, le métabolisme humain et d'autres phénomènes biologiques complexes sont basés sur des interactions entre les protéines, " a déclaré Jordan Hachtel, Stagiaire postdoctoral ORNL et auteur principal. "Nous étudions ces interactions en marquant des protéines spécifiques avec un isotope, puis en les suivant à travers une réaction chimique pour voir où elles sont allées et ce qu'elles ont fait."
Les scientifiques du Laboratoire national d'Oak Ridge ont utilisé un microscope électronique à balayage à transmission à correction d'aberration, ou MAC-STEM, technique qui détecte les changements subtils du poids des protéines à l'échelle nanométrique - tout en gardant l'échantillon intact - est le complément parfait à une expérience de spectrométrie de masse à l'échelle macro. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
"Maintenant, nous pouvons suivre les marqueurs isotopiques directement au microscope électronique, ce qui signifie que nous pouvons le faire avec une résolution spatiale comparable à la taille réelle des protéines, " ajouta Hachtel.
Leur nouvelle expérience, qui a eu lieu au Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL, utilisé la spectroscopie monochromatique de perte d'énergie des électrons, ou anguilles, dans un microscope électronique à balayage à transmission, ou STEM. La technique utilisée par les scientifiques est suffisamment sensible pour distinguer les molécules qui diffèrent par un seul neutron sur un seul atome. EELS a été utilisé pour capturer les vibrations infimes dans la structure moléculaire d'un acide aminé.
« Les marqueurs isotopiques sont généralement observés au niveau macroscopique en utilisant la spectrométrie de masse, un outil scientifique qui révèle le poids atomique et la composition isotopique d'un échantillon, " a déclaré Juan Carlos Idrobo, Scientifique de l'ORNL et auteur correspondant. "La spectrométrie de masse a une résolution de masse incroyable, mais il n'a généralement pas de résolution spatiale nanométrique. C'est une technique destructrice."
Un spectromètre de masse utilise un faisceau d'électrons pour séparer une molécule en fragments chargés qui sont ensuite caractérisés par leur rapport masse/charge. L'observation de l'échantillon à l'échelle macro, les scientifiques peuvent seulement déduire statistiquement quelles liaisons chimiques étaient susceptibles d'avoir existé dans l'échantillon. L'échantillon est détruit pendant l'expérience, laissant des informations précieuses non découvertes.
La nouvelle technique de microscopie électronique, tel qu'appliqué par l'équipe ORNL, offre une approche plus douce. En positionnant le faisceau d'électrons très près de l'échantillon, mais sans le toucher directement, les électrons peuvent exciter et détecter les vibrations sans détruire l'échantillon, permettant des observations d'échantillons biologiques à température ambiante sur de plus longues périodes de temps.
L'équipe de recherche interdisciplinaire ORNL qui a apporté le marquage isotopique sans dommage à l'échelle nanométrique au microscope électronique comprend, de gauche, Jacek Jakowski, Santa Jansone-Popova, Juan Carlos Idrobo, Jingsong Huang, Jong Keum, Jordan Hachtel et Ilja Popovs, tout l'ORNL. Non représenté, Tracy C. Lovejoy, Niklas Dellby et Ondrej L. Krivanek de Nion Co. Crédit :Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, Département américain de l'énergie
Leur résultat constitue une percée pour la microscopie électronique, puisque le faisceau d'électrons chargés négativement n'est généralement sensible qu'aux protons, et non les neutrons. "Toutefois, la fréquence des vibrations moléculaires dépend du poids atomique, et la mesure précise de ces fréquences vibrationnelles ouvre le premier canal direct pour mesurer les isotopes au microscope électronique, " dit Idrobo.
L'équipe de recherche dirigée par l'ORNL s'attend à ce que leur technologie potentiellement révolutionnaire ne remplace pas, mais complète plutôt la spectrométrie de masse et d'autres techniques optiques et neutroniques conventionnelles actuellement utilisées pour détecter les marqueurs isotopiques.
"Notre technique est le complément parfait d'une expérience de spectrométrie de masse à grande échelle, " dit Hachtel. " Avec la pré-connaissance de la spectrométrie de masse, nous pouvons entrer et résoudre dans l'espace où les étiquettes isotopiques se retrouvent dans un échantillon de l'espace réel."
Au-delà des sciences de la vie, la technique pourrait être appliquée à d'autres matières molles telles que les polymères, et potentiellement dans les matériaux quantiques où la substitution isotopique peut jouer un rôle clé dans le contrôle de la supraconductivité.
