Świat atomów i cząsteczek. Jak dzięki metodom obrazowania zobaczyć “całego słonia”?

Budowę molekuł tworzących komórki można poznać dzięki różnych technik obrazowania. Uzyskiwane w ten sposób mapy tych samych struktur wbrew pozorom nieco różnią się jednak między sobą. Żeby poznać prawdę o molekułach, potrzebna jest nie tylko kombinacja technik, ale i zrozumienie, jak badają one materię – zwraca uwagę prof. Matthias Bochtler z MIBMiK.

Artykuł w „Structure” autorstwa prof. Matthiasa Bochtlera z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, omawia różne sposoby analizy struktur biomolekuł z użyciem promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów. W swojej pracy naukowiec określił, jak mapy o rozdzielczości atomowej różnią się między sobą w zależności od sposobu obrazowania.

Jeśli chcemy poznać kształt krzesła czy kubka, nie musimy się specjalnie starać – wystarczy, iż postawimy te obiekty w świetle widzialnym. Fotony, które dotrą z tych przedmiotów do naszych oczu, pozwolą nam łatwo ustalić badany kształt. Nieco trudniej jest z obiektami znacznie mniejszymi – np. białkami, kwasami nukleinowymi, hormonami. W badaniu ich struktur nie wystarczy światło widzialne. Posłużyć się trzeba nieco innym “oświetleniem” – wiązkami promieniowania rentgenowskiego, elektronów lub neutronów.

Każda z tych metod dostrojona jest do różnych aspektów materii, dlatego uzyskiwane w różnych technikach mapy tych samych struktur różnią się między sobą – czytamy w komunikacie MIBMiK na temat tych badań.

Problem opisany w badaniach prof. Bochtlera porównano tam ze starą hinduską bajką o ślepcach, którzy próbowali opisać słonia.

Każdy z obserwatorów może (za pomocą dotyku- przyp. PAP) zbadać tylko fragment zwierzęcia, a zatem nie jest w stanie uchwycić całej złożoności badanego obiektu – porównano w komunikacie MIBMiK przesłanym serwisowi Nauka w Polsce.

Analogicznie wśród dostępnych metod obrazowania każda bada różne aspekty materii. Okazuje więc badany obiekt z nieco innej perspektywy.

Aby ‘zobaczyć całego słonia’, potrzebujemy kombinacji technik i dogłębnej wiedzy na temat sposobu, w jaki badają one materię – komentują przedstawiciele instytutu.

I tak promieniowanie rentgenowskie wykrywa gęstość elektronową, podczas gdy elektrony – potencjał elektrostatyczny. Z kolei neutrony są wrażliwe na długość koherentnego rozpraszania jądrowego (NCSL).

W przypadku elektronów – zwraca uwagę MIBMiK – uzyskanie rozdzielczości atomowej jest stosunkowo nowym osiągnięciem, nazwanym „rewolucją rozdzielczości”. Co ciekawe, nie jest całkowicie jasne, jaki dokładnie obraz (mapę) „powinno” się zobaczyć, używając elektronów do obrazowania o wysokiej rozdzielczości, choćby w przypadku znanych wcześniej struktur.

Bochtlera zainspirowała technika kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM), która pozwoliła na uzyskanie pierwszych map o rozdzielczości atomowej przez grupy prof. Holgera Starka i dr. Ashwina Chari. Mapy te wykazały nieoczekiwane efekty wykorzystania strumienia elektronów do obrazowania. Prof. Bochtler przeanalizował na nowo te prace.

Mapy gęstości elektronowej (ED) uzyskane z użyciem wiązki promieni rentgenowskich oraz mapy potencjału elektrostatycznego (ESP) uzyskane z użyciem wiązki elektronów są powszechnie uważane za równoważne, z wyjątkiem różnic wynikających z błędów pomiarowych. Nasze wyniki pokazują, iż założenie to nie jest w pełni słuszne – wyjaśnia naukowiec z MIBMiK.

Rewolucja rozdzielczości w kriomikroskopii elektronowej oferuje fascynujące możliwości. Aby móc je w pełni wykorzystać, musimy rozumieć, co mapy te naprawdę pokazują – stwierdza prof. Matthias Bochtler.

Korzystając z zaawansowanych modeli teoretycznych, takich jak teoria funkcjonału gęstości (DFT) i wzór Bethego-Motta, prof. Bochtler wykazał, iż mapy ED i ESP różnią się znacząco w zakresie obrazowania poszczególnych atomów, co znajduje szczególne odzwierciedlenie w przypadku atomów obdarzonych (cząstkowym) ładunkiem. Wykazał również, iż zarówno stosunek wkładów od lżejszych i cięższych atomów, jak i wrażliwość na wiązania chemiczne obejmujące zewnętrzne powłoki atomowe oraz ładunek, zależą od rodzaju użytej wiązki.

Badania prof. Bochtlera opublikowane w „Structure” pogłębiają zrozumienie teoretycznych podstaw obrazowania i zwiększają potencjał wykorzystania kriomikroskopii elektronowej w praktyce, w tym w projektowaniu leków.

Jego analiza wskazuje, iż wiązki promieniowania rentgenowskiego, elektronów i neutronów są dostrojone do różnych aspektów materii, a zatem są źródłem komplementarnych informacji. Promieniowanie rentgenowskie wykrywa gęstość elektronową, podczas gdy elektrony – potencjał elektrostatyczny. Z kolei neutrony są wrażliwe na długość koherentnego rozpraszania jądrowego (NCSL).

– Rewolucja rozdzielczości w kriomikroskopii elektronowej oferuje fascynujące możliwości. Aby móc je w pełni wykorzystać, musimy rozumieć, co mapy te naprawdę pokazują – stwierdza prof. Matthias Bochtler.

Innowacyjna praca analityczna prof. Bochtlera opublikowana w Structure jest doskonałym przykładem tego, jak nauki biologiczne są integralną częścią STEM – nauk przyrodniczych, technologii, inżynierii i matematyki – które łącząc się, umożliwiają zrozumienie podstaw świata, w którym żyjemy – komentują przedstawiciele jego instytutu.

Źródło: NaukawPolsce