Podróż w świat atomów i cząsteczek: to, co zobaczysz, zależy od tego jak patrzysz
Artykuł w Structure, autorstwa prof. Matthiasa Bochtlera z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, omawia sposoby analizy struktur biomolekuł z użyciem promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów. Porównanie obrazów (map) dostarczanych dzięki tym trzem metodom ujawnia znaczące różnice wynikające z zastosowanej technologii.
Przekraczanie granic postrzegania świata od wieków fascynuje badaczy. W 1610 r. teleskop Galileusza przybliżył odległe ciała kosmiczne. Dziś teleskop Webba dostarcza obrazy z najdalszych zakątków wszechświata. Na drugim końcu skali wielkości, mikroskop Leeuwenhoeka umożliwił obserwację obiektów znacznie mniejszych od dostrzegalnych ludzkim okiem. Obecne techniki obrazowania osiągnęły rozdzielczość pozwalającą na badanie nawet pojedynczych cząsteczek w złożonych próbkach w świetle widzialnym.
Oko ludzkie ma zdolność wykrywania jedynie światła z zakresu od barwy czerwonej do niebieskiej. Osiągnięcia XX wieku umożliwiły obserwacje widma elektromagnetycznego w zakresie niewidocznym dla ludzi. Rezonans magnetyczny (NMR) wykorzystuje do badania struktur molekuł fale radiowe, rozszerzając zakres widma daleko poza kolor czerwony. Krystalografia rentgenowska opiera się natomiast na określaniu struktur molekuł z użyciem promieniowania X leżącego daleko poza granicą koloru niebieskiego. Zakres obserwacji poszerzyło wykorzystanie do badań strukturalnych nie tylko fal elektromagnetycznych, ale również strumieni elektronów i neutronów. Wszystkie wspomniane metody umożliwiają uzyskanie obrazów o rozdzielczości atomowej. W przypadku elektronów 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, nawet w przypadku znanych wcześniej struktur.
Wszystko zależy od metody obserwacji
W swojej pracy, prof. Matthias Bochtler z MIBMiK określił, jak mapy o rozdzielczości atomowej różnią się w zależności od sposobu obrazowania. Jego badania zostały zainspirowane techniką 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.
- W wyniku ograniczeń w pracy laboratorium związanych z wybuchem pandemii COVID-19, zgłębiałem prace z zakresu fizyki kwantowej z początku XX wieku, które sprowokowały mnie do nowego spojrzenia na mapy wysokiej rozdzielczości uzyskane w ostatnich latach przez laboratoria prof. Starka i dr. Chari – mówi prof. Bochtler - 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, że założenie to nie jest w pełni słuszne - wyjaśnia naukowiec z MIBMiK.
Korzystając z zaawansowanych modeli teoretycznych, takich jak teoria funkcjonału gęstości (DFT) i wzór Bethego-Motta, prof. Bochtler wykazał, że mapy ED i ESP różnią się znacząco w zakresie obrazowania poszczególnych atomów, co znajduje szczególne odzwierciedlenie w przypadku atomów obdarzonych (cząstkowym) ładunkiem. Wykazał również, że 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.
Przełom w obrazowaniu o rozdzielczości atomowej
Badania prof. Bochtlera opublikowane w Structure nie tylko pogłębiają zrozumienie teoretycznych podstaw obrazowania, ale także zwiększają potencjał wykorzystania kriomikroskopii elektronowej w praktyce, w tym w projektowaniu leków. Jego analiza wskazuje, że 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.
Publikacja Matthiasa Bochtlera w Structure, zatytułowana "X-rays, electrons, and neutrons as probes of atomic matter," jest dostępna tutaj: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S096921262400039X
Problem opisany w badaniach prof. Bochtlera, najlepiej ilustruje stara hinduska alegoria słonia i ślepców. Każdy z obserwatorów może zbadać tylko fragment zwierzęcia, a zatem nie jest w stanie uchwycić całej złożoności badanego obiektu. ED i ESP symbolizują dostępne metody obrazowania, z których każda bada różne aspekty materii. Aby „zobaczyć całego słonia”, potrzebujemy kombinacji technik i dogłębnej wiedzy na temat sposobu, w jaki badają one materię.
O autorze:
Prof. Matthias Bochtler jest biologiem strukturalnym i profesorem nauk biologicznych. Kieruje Laboratorium Biologii Strukturalnej w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie oraz Laboratorium Inżynierii Genomu w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN. Ukończył Uniwersytet Techniczny w Monachium. Był postdokiem w Instytucie Biochemii im. Maxa Plancka (MPIB) w Martinsried. Przeniósł się do Polski, aby stworzyć wspólną grupę badawczą Instytutu Biologii Molekularnej im. Maxa Plancka oraz MIBMiK. Jest laureatem Nagrody Ministra Edukacji i Nauki za wybitne osiągnięcia w działalności naukowej (2023), Wyróżnienia im. Prof. Włodzimierza Krzyżosiaka przyznawanego przez Polską Akademię Nauk (2023), Nagrody im. Prof. Stefana Pieńkowskiego (2005) oraz Nagrody Programu dla Młodych Badaczy EMBO/HHMI (2004).