29 марта, 2024

hleb

Находите все последние статьи и смотрите телешоу, репортажи и подкасты, связанные с Россией.

Атомная визуализация синтетических белков

Наука

Ученые создали тонкие, похожие на бумагу кристаллические листы, используя синтетическую белковоподобную молекулу, называемую полипептоидом. Эти нанолисты имеют толщину всего в одну молекулу, а молекулы расположены очень специфическим образом. Ученые фотографируют эти нанолисты с помощью электронных микроскопов в криогенных условиях. До недавнего времени эти изображения были размытыми из-за небольшого количества электронов, которые могли проходить через пластины, не вызывая повреждений. В этом исследовании исследователи использовали алгоритмы на основе машинного обучения для обработки около 500 000 независимых изображений. В результате получилось первое четкое изображение отдельных атомов в мягком синтетическом материале в реальном пространстве.

Влияние

Синтетические полимеры необходимы для многих продуктов, которые мы воспринимаем как должное. Они варьируются от пластиковой мебели до современных корпусов самолетов. Он также лежит в основе таких устройств, как топливные элементы и аккумуляторные батареи. Эти устройства становятся все более важными в формирующемся ландшафте 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 представляет собой важный шаг в нанонауке в целом.

резюме

Впервые ученые раскрыли детали атомной структуры мягкого синтетического материала. Пептоидные би-блок-сополимеры состоят из двух различных белковоподобных цепей, связанных вместе. Эти материалы спроектированы так, чтобы плотно прилегать друг к другу и образовывать высокоорганизованные кристаллические листы в воде. Отдельные молекулы и их относительная ориентация внутри нанолистов наблюдались непосредственно с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии (крио-ПЭМ), выявляя атомные детали в пространстве узла, недоступные для обычных методов рассеяния. Чрезвычайно низкая температура, используемая для быстрого замораживания нанолистов, эффективно удерживает молекулы на месте. Визуализация образца в условиях охлаждения 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, были обработаны с использованием передовых математических инструментов и алгоритмов машинного обучения для получения изображений с высоким разрешением структуры атомного масштаба.

READ  Положения звезд на древнем навигационном устройстве говорят нам, когда оно было создано.

Синтез пептоидных полимеров с высокой точностью, атомная визуализация Cryo-TEM и компьютерное моделирование помогли ученым понять структуры полимеров на атомном уровне. Теперь исследователи могут вносить модификации на атомном уровне для создания целевых молекул. Это открывает путь к рациональной разработке сложных функций мягких материалов посредством систематического контроля их химического состава. Исследование было частично проведено на двух объектах Министерства энергетики США, в Molecular Foundry и Advanced Light Source.

Финансы

Эта работа финансировалась министерством энергетики, отделом науки, отделом фундаментальных энергетических наук, отделом материаловедения и инженерии. Работа над молекулярной литейной и передовым источником света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли была поддержана пользовательскими проектами на этих пользовательских объектах при поддержке Министерства энергетики, Управления науки, Управления фундаментальных энергетических наук. Представленные здесь микроскопические изображения были получены на установке Donner Cryo-TEM в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и на установке Cryo-TEM в районе Berkeley Bay в Калифорнийском университете в Беркли.

Источник:

Ссылка на журнал:

Schwann, S .; и другие. (2021) Геометрия атомной плоскости и отображение кристаллических решеток полипептоидов. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.1909992116.