Imej x-ray pertama virus • Yuri Erin • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik

Imej X-ray pertama virus

Rajah. 1. Skim eksperimen. Imej virus herpes tetikus yang diperolehi oleh kamera CCD-matriks telah diubah dengan kaedah matematik analisis difraksi sinar-X ke dalam pengedaran ketumpatan elektron di dalam virus, yang bermaksud "mendapatkan" imej X-ray. Timbangan dan perkadaran tidak dipenuhi. Rajah. dari artikel dibincangkan arXiv: 0806.2875

Sekumpulan saintis dari Amerika Syarikat dan Jepun berjaya mendapatkan imej x-ray virus – dengan resolusi rekod 22 nm. Para penulis berharap resolusi ini dapat dipertingkatkan lagi dengan menggunakan projek X-FEL, laser sinar-X elektron bebas, yang akan membolehkan mendapatkan gambaran makromolekul yang lebih terperinci.

Pada 50-an abad yang lalu, dua kumpulan saintis, yang diketuai oleh John Kendru dan yang lain oleh Max Perutz, menjelaskan struktur hemoglobin dan myoglobin dengan menyinari mereka dengan X-ray dan kemudian menggunakan analisis sinar-X (lihat juga crystallography sinar-X). Dari titik ini, X-ray menjadi "helper" utama dalam kajian struktur tiga dimensi makromolekul.

Walau bagaimanapun, objek biologi, seperti sel-sel, organel (kira-kira bercakap, "organ" sel), virus dan makromolekul lain, adalah sukar untuk analisis struktur sinar-X kerana ketidakstabilan penghabluran mereka.Titik lemah analisis sinar-X juga merupakan keperluan kualiti kristal yang diselidiki, contohnya, tempoh mereka. Untuk entah bagaimana mengelakkan masalah ini, dalam analisis X-ray objek yang disusun atau disusun sebahagiannya sepenuhnya (protein, DNA, virus, dll.), Ahli fizik menggunakan kaedah serangga sudut yang dipanggil kecil. Dalam kes ini, radiasi sinar-X tertumpu berhampiran rasuk utama – di rantau kecil yang berselerak, iaitu sedikit berbeza.

Dalam satu kajian baru-baru ini, Pengimejan Kuantitatif Virus Tanpa Tunggal, yang mempunyai Rangka-Rasa Koheren, yang muncul dalam arkib pra-percubaan, sekumpulan ahli saintis dari Amerika Syarikat dan Jepun melaporkan bahawa ia mula-mula menerima imej X-ray virus tunggal. Untuk ini, mikroskop difraksi sinaran sinaran yang digunakan. Bercakap tentang "imej", penulis artikel itu bermakna penglihatan pengedaran ketumpatan elektron di dalam virus – sejenis "gambar", tetapi tidak dalam jarak optik, tetapi dalam sinar X.

Para saintis berjaya mendapatkan imej kontras tinggi virus itu dengan resolusi hampir 22 nanometer (kini resolusi rekod mikroskop sinar-X difraksin sinar-X ialah 15 nm, dicapai awal tahun ini; lihatDifensian Nanoscale X-Ray Menggunakan Mikroskopi dalam Jurnal Fiz. Wahyu Lett.). Perhatian juga tertarik kepada fakta bahawa objek dengan jisim molekul tiga pesanan magnitud kurang diteliti daripada makromolekul yang dikaji sebelum ini. "Dipotret" adalah virus herpes tetikus (MHV-68), dinyahaktifkan oleh sinaran ultraviolet dan penyelesaian glutaraldehid 3% (bahan yang sering digunakan untuk mensterilkan peralatan perubatan dan membasmi kuman). Virus herpes dibubarkan dalam metanol dengan kepekatan kira-kira 20 keping setiap mikroliter. Penyelesaian ini diperiksa di bawah mikroskop difraksi sinar-X.

Skim percubaan ditunjukkan dalam Rajah. 1. Sinaran sinar-X dengan tenaga 5 keV melalui lubang berukuran 20 mikrometer pada jarak kira-kira 1 meter di hadapan objek yang sedang diteliti. Di hadapan sampel dengan virus, terdapat slot pelindung silikon untuk menghalang sinaran optik "parasit" yang datang dari kamera (yang akan dibincangkan kemudian). Imej yang dihasilkan dicatatkan terletak di meter dari objek kajian dengan CCD-matriks (CCD-kamera) dengan resolusi 1340 × 1300 piksel (saiz satu piksel adalah 20 mikrometer).

Untuk mengkaji kesan sinaran sinar-X terhadap virus, iaitu, untuk mengetahui berapa banyak sinar X mengubah struktur dalamannya, tiga imej diambil sebelum ini, salah satunya ditunjukkan dalam Rajah. 2a. Perbandingan hati-hati imej menunjukkan bahawa dos radiasi diserap oleh virus (3 · 107 Kelabu) tidak banyak mengubah "insides" virus itu. Pada imej yang dihasilkan, anda juga boleh melihat bahawa saiz virus adalah kira-kira 200 nm.

Gambar yang diambil dengan kamera CCD bukanlah hasil utama penyelidik. Adalah penting untuk memahami bahawa tugas-tugas utama analisis sinar-X (terutamanya, dalam eksperimen ini) adalah untuk menentukan saiz dan bentuk sel unit struktur kristal suatu bahan dan penentuan selanjutnya kepunyaan kristal kepada salah satu kumpulan simetri, berjumlah 230. Untuk ini, anda perlu memproses secara matematik nilai intensiti semua refleksi difraksi dari objek. Matlamat akhir pemprosesan sedemikian adalah untuk mengira ketumpatan elektron ρ (x, y, z) pada mana-mana titik dalam sel kristal dengan koordinat x, y, z. Oleh kerana struktur kristal adalah berkala secara berkala, adalah mungkin untuk merakam ketumpatan elektron di dalamnya melalui siri Fourier:

Di sini V ialah isipadu sel unit, h, k, l – beberapa bilangan bulat, dipanggil indeks Miller (kira-kira bercakap, mereka menunjukkan bagaimana pesawat atom diatur dalam kristal), i – unit khayalan dan, akhirnya, yang paling penting – Fhkl, Pekali siri Fourier, yang dikenali sebagai amplitudo struktur. "Kerumitan" matematik ini diperlukan untuk "meringkaskan" refleksi sinar-X difraksi dan kemudian memperoleh imej mikrostruktur kristal, kerana tidak ada lensa yang mampu memfokuskan sinar-X.

Rajah. 2 Imej virus yang diambil dengan kamera CCD (a); imej x-ray virus (b); imej virus di bawah mikroskop elektron pengimbasan dan penghantaran (c dan d masing-masing). Rajah. dari artikel dibincangkan arXiv: 0806.2875

Secara amnya, amplitudo struktur boleh menjadi kuantiti yang kompleks, jadi ia boleh diwakili sebagai produk modul dan fasa:

Fhkl = |Fhkl| exp (hkl)

Dalam eksperimen difraksi sinar-X, hanya modul |Fhkl| atau sebaliknya segiempatnya |Fhkl|2tetapi tidak fasa. Dan ini adalah masalah utama dalam analisis X-ray. Terdapat model yang berbeza "penyahkodan" struktur data eksperimen. Sebagai contoh, percubaan dan kesilapan. Dalam kaedah ini, model fizikal ujian tertentu dipilih, di mana nilai-nilai | |Fhkl|mod dan dibandingkan dengan data eksperimen |Fhkl|exp. Bergantung kepada nilai faktor R yang dipanggil (faktor penyelewengan):

model yang dicadangkan itu diterima atau ditolak. Sudah tentu, pilihan optimum model berlaku apabila nilai faktor R adalah sifar.

Untuk struktur yang lebih kompleks, termasuk yang bukan kristal, seperti dalam kerja yang dijelaskan, contohnya, kaedah "data penyahkodean" ini digunakan: amplitud struktur dan fasa mereka dianggap sebagai pemboleh ubah rawak. Selanjutnya, fungsi pengedaran pemboleh ubah rawak diperolehi, yang memungkinkan untuk menganggarkan, dengan mengambil kira data eksperimen, nilai-nilai fasa yang paling mungkin. Dan seterusnya, menggunakan formula (1), dapatkan pengedaran kepadatan elektron yang dikehendaki, dan dengan itu imej objek yang dikaji.Di sini kita secara ringkas menggambarkan tidak semua kaedah "mendekripsi" data, tetapi kriteria untuk kesesuaian kaedah ini dalam setiap kes adalah faktor R.

Dalam makalah ini, penulis menggunakan kaedah yang dikenali sebagai GHIO (algoritma input-output hybrid), agak serupa dengan kaedah pemboleh ubah rawak, untuk "menguraikan" data. Dengan kaedah ini, penulis menguraikan 16 imej difraksi dan di antara mereka memilih lima dengan nilai R-faktor terendah. Kemudian lima imej ini "disusun" dan oleh itu imej akhir diperoleh (Rajah 3a). Oleh kerana kaedah yang digunakan dalam eksperimen ini adalah berdasarkan kepada pemboleh ubah rawak, penulis menggunakannya semula untuk 16 imej ini, mengulangi prosedur pengambilan lima imej terbaik dan seterusnya pengukuran lebih lanjut (Gambarajah 3b). Menurut penulis, perbezaan antara angka-angka ini tidak melebihi 2.3%, yang menunjukkan ketepatan "dekripsi" kaedah ini.

Rajah. 3 Gambar sinar-X virus, "disahkodkan" oleh kaedah GHIO (lihat penerangan dalam teks). Perbezaan kecil antara imej menunjukkan analisis ketepatan data elektron di dalam virus. Rajah. dari artikel dibincangkan arXiv: 0806.2875

Para penyelidik juga memperoleh imej virus menggunakan imbasan (Mikroskop elektron imbasan, Rajah.2c) dan penghantaran (mikroskop elektron penghantaran, Rajah 2d) mikroskop elektron. Membandingkan data imej, seseorang dapat melihat, menurut penulis, bahawa imej X-ray virus (Rajah 2b) mempunyai nisbah kontras tertinggi. Untuk memvisualisasikan imej X-ray yang lebih baik, para penyelidik mengagihkan imej mengikut nilai ketumpatan elektron di dalam virus (Rajah 4a). Imej 4b menggunakan mikroskop berkuatkuasa atom (lihat juga mikroskop berkuat kuasa atom) disediakan untuk menjelaskan ketebalan virus.

Rajah. 4 a – penglihatan dalam warna pengedaran ketumpatan elektron di dalam virus – sejenis gambar "x-ray" virus. b – Imej virus di bawah mikroskop berkuatkuasa atom. Rajah. dari artikel dibincangkan arXiv: 0806.2875

Rajah. 5 menunjukkan penyebaran ketumpatan elektron di sepanjang garis titik yang ditunjukkan dalam Rajah. 4a.

Rajah. 5. Pengedaran ketumpatan elektron di sepanjang garis titik yang ditunjukkan dalam Rajah. 4a. Rajah. dari artikel dibincangkan arXiv: 0806.2875

Kesimpulannya, para penyelidik mengatakan bahawa resolusi 22 nm yang dicapai oleh mereka dalam mendapatkan imej x-ray virus bukanlah batas dan, kemungkinan besar, boleh diperbaiki menggunakan projek X-FEL – sumber radiasi x-ray koheren (laser x-ray) pada elektron bebas,yang akan membolehkan untuk terus mendapatkan imej makromolekul yang lebih terperinci, khususnya kompleks protein.

Sumber: Changyong Song, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S Shah, Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao. Pengimejan Kuantitatif Virus Single Unstained dengan X-ray Koheren // arXiv: 0806.2875 (17 Jun 2008).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: