Prva rentgenska slika virusa • Yuri Erin • Znanstvene novice o "Elementih" • Fizika

Prva rentgenska slika virusa

Sl. 1. Shema eksperimenta. Podoba mišjega herpesnega virusa, dobljenega s CCD-matriko, je bila z matematičnimi metodami rentgenske difrakcijske analize pretvorjena v porazdelitev gostote elektronov znotraj virusa, kar je pomenilo »pridobivanje« rentgenske slike. Lestvice in deleži niso izpolnjeni. Sl. iz obravnavanega člena arXiv: 0806.2875

Skupini znanstvenikov iz Združenih držav in Japonske so uspeli dobiti rentgensko podobo virusa – z rekordno ločljivostjo 22 nm. Avtorji upajo, da se bo ta rešitev še izboljšala z uporabo projekta X-FEL, rentgenskega rentgenskega laserja, ki bo omogočal pridobivanje podrobnejših podob makromolekul.

V 50. letih prejšnjega stoletja sta dve skupini znanstvenikov, ki jo je vodil eden John Kendru in drugi Max Perutz, pojasnila strukturo hemoglobina in mioglobina z obsevanjem z rentgenskimi žarki in nato z rentgensko analizo (glej tudi rentgensko kristalografijo). Od takrat naprej so rentgenski žarki postali glavni "pomočnik" pri študiji tridimenzionalnih struktur makromolekul.

Vendar so biološki predmeti, kot so celice, organeli (grobo rečeno, "organi" celic), virusi in drugi makromolekule, težko rentgenske strukturne analize zaradi nezmožnosti njihove kristalizacije.Šibka točka rentgenske analize je tudi zahteva visoke kakovosti raziskanih kristalov, na primer njihova periodičnost. Da bi se nekako izognili tem problemom, fizikanti pri rentgenski analizi delno urejenih ali popolnoma neurejenih predmetov (proteinov, DNA, virusov itd.) Prikličejo tako imenovano metodo majhnega kota razprševanja. V tem primeru se rentgensko sevanje koncentrira v bližini primarnega snopa – v območju majhnih kotov razpadanja, to je nekoliko divergentno.

V nedavni študiji, Kvantitativno slikanje posameznih, nerazvitih virusov s koherentnimi rentgenskimi žarki, ki so se pojavili v arhivu preprintov, skupne skupine znanstvenikov iz Združenih držav in Japonske, so poročali, da je prvič prejela rentgensko sliko enega samega virusa. Za to smo uporabili tako imenovani rentgenski difrakcijski mikroskop. Ko govorimo o "podobi", avtorji prispevka pomenijo vizualizacijo porazdelitve gostote elektronov znotraj virusa – neke vrste "fotografije", ne pa tudi v optičnem razponu, ampak v rentgenskem slikanju.

Znanstveniki so uspeli pridobiti visoko kontrastno sliko virusa s skoraj rekordno ločljivostjo 22 nanometrov (danes je resolucija rentgenskega difrakcijskega mikroskopa žarkov 15 nm, dosežena v začetku tega leta;Nanoscale X-Ray difrakcija z uporabo mikroskopije v reviji Fiz. Rev. Lett.). Pozornost se opira tudi na dejstvo, da smo raziskovali objekt z molekulsko maso treh zaporedij manjših od predhodno raziskanih makromolekul. "Fotografirano" je bil virus herpesa miši (MHV-68), deaktiviran z ultravijoličnim sevanjem in 3% raztopino glutaraldehida (snov, ki se pogosto uporablja za sterilizacijo medicinske opreme in dezinfekcija). Herpesove viruse raztopimo v metanolu s koncentracijo okoli 20 kosov na mikroliter. To raztopino smo proučevali pod rentgenskim difrakcijskim mikroskopom.

Shema eksperimenta je prikazana na sl. 1. rentgensko sevanje z energijo 5 keV skozi odprtino, ki meri 20 mikrometrov na razdalji približno 1 meter pred predmetom, ki se preučuje. Tik pred vzorcem z virusi je obstajala silikonska zaščitna reža, ki je blokirala "parazitsko" optično sevanje, ki prihaja iz fotoaparata (o kateri bomo razpravljali kasneje). Rezultirajoča slika je bila zabeležena v merilniku iz predmeta študije s CCD-matriko (CCD-kamera) z ločljivostjo 1340 × 1300 pik (velikost enega piksla je 20 mikrometrov).

Za preučevanje učinka rentgenskega sevanja na virus, to je, da bi ugotovili, koliko rentgenskih sprememb spreminja svojo notranjo strukturo, so bile predhodno vzete tri slike, od katerih je eden prikazan na sl. 2a. Natančna primerjava slik je pokazala, da se odmerki sevanja, ki jih absorbira virus (3,107 Grey) ne spreminja bistveno "virusa" virusa. Na dobljeni sliki lahko vidite, da je velikost virusa približno 200 nm.

Slika, posneta s kamero CCD, ni glavni rezultat raziskovalcev. Pomembno je razumeti, da so glavne naloge rentgenske analize (zlasti v tem eksperimentu) predvsem ugotoviti velikost in obliko enote celice kristalne strukture snovi in ​​naknadno določanje pripadnosti kristala eni od skupin simetrije, od katerih je 230. intenzitetne vrednosti vseh difrakcijskih refleksij iz predmeta. Končni cilj takšne obdelave je izračun gostote elektronov ρ (x, y, z) na kateri koli točki v kristalni celici z koordinatami x, y, z. Ker je struktura kristala približno periodična, je mogoče zapisati elektronsko gostoto v njej skozi niz Fourierja:

Tukaj je V volumen enote celice, h, k, l – nekatera cela števila, imenovana Millerjevi indeksi (grobo rečeno, označujejo, kako so atomske ravnine razporejene v kristalu), i – namišljena enota in, končno, najpomembnejša – Fhkl, Koeficienti serije Fourierja, imenovane strukturne amplitude. Te matematične "kompleksnosti" so potrebne, da "povzamemo" difrakcijske rentgenske refleksije in nato pridobimo podobo mikrostrukture kristala, ker ni nobenih objektivov, ki bi lahko usmerili rentgenske žarke.

Sl. 2 Slika virusa s CCD kamero (a); rentgenska slika virusa (b); virusna slika pod elektronskim mikroskopom za skeniranje in prenos (c in d ). Sl. iz obravnavanega člena arXiv: 0806.2875

Na splošno so strukturne amplitude lahko kompleksne količine, zato jih je mogoče predstaviti kot produkt modula in faze:

Fhkl = |Fhkl| exp (hkl)

V poskusu rentgenske difrakcije je samo modul |Fhkl| ali raje njegov kvadrat |Fhkl|2vendar ne faze. In to je glavni problem pri rentgenski analizi. Obstajajo različni modeli strukturnega "dekodiranja" eksperimentalnih podatkov. Na primer, preskus in napaka. V tej metodi je izbran določen preskusni fizični model, v katerem so vrednosti |Fhkl|mod in primerjali z eksperimentalnimi podatkiFhkl|exp. Glede na vrednost tako imenovanega faktorja R (faktor divergence):

je predlagani model bodisi sprejet ali zavrnjen. Seveda se optimalna izbira modela pojavi, ko je vrednost R-faktorja enaka nič.

Za bolj zapletene strukture, vključno z nekristalnimi, kot v opisanem delu, se na primer uporablja ta način dekodiranja podatkov: strukturne amplitude in njihove faze se obravnavajo kot naključne spremenljivke. Nadalje so izpeljane funkcije porazdelitve teh naključnih spremenljivk, ki omogočajo, da ob upoštevanju eksperimentalnih podatkov ocenimo najverjetnejše vrednosti faz. In nadalje, s pomočjo formule (1) dobimo želeno porazdelitev gostote elektronov in s tem tudi sliko predmeta, ki ga proučujemo.Tukaj smo na kratko opisali vse metode "dešifriranja" podatkov, vendar je merilo za primernost teh metod v vsakem primeru R-faktor.

V tem članku so avtorji uporabili metodo, imenovano GHIO (vodeni hibridni vhodno-izhodni algoritem), ki je bila nekoliko podobna metodi naključne spremenljivke, da bi "dešifriral" podatke. S to metodo so avtorji dešifrirali 16 difrakcijskih slik in med njimi izbrali pet z najnižjo vrednostjo R-faktorja. Nato je bilo teh pet slik "povprečenih" in tako dobila končno sliko (slika 3a). Ker je metoda, uporabljena v tem poskusu, temeljila na naključnih spremenljivkah, so avtorji ponovno uporabili te 16 slik, ponovili postopek vzorčenja petih najboljših slik in nato njihovo nadaljnje povprečenje (slika 3b). Po mnenju avtorjev razlika med temi podatki ne presega 2,3%, kar kaže na pravilnost te metode "dešifriranja".

Sl. 3 Rentgenske slike virusa, "dekodirane" po metodi GHIO (glej opis v besedilu). Majhna razlika med slikami kaže na pravilno analizo podatkov o gostoti elektronov znotraj virusa. Sl. iz obravnavanega člena arXiv: 0806.2875

Raziskovalci so pridobili podobo virusa z uporabo skeniranja (skeniranje elektronskega mikroskopa, sl.2c) in prenos (elektronska mikroskopija, slika 2d) elektronskih mikroskopov. Če primerjamo slikovne podatke, lahko po mnenju avtorjev vidimo, da ima rentgenska slika virusa (slika 2b) najvišje kontrastno razmerje. Za boljšo vizualizacijo dobljene rentgenske slike so raziskovalci obarvali sliko v skladu z vrednostmi elektronske gostote znotraj virusa (slika 4a). Slika 4b z mikroskopom z atomsko silo (glej tudi mikroskop za atomsko silo) je namenjena razjasnitvi debeline virusa.

Sl. 4 a – vizualizacija v barvi porazdelitve gostote elektronov v virusu – nekakšna barvna rentgenska slika "virusa". b – Podoba virusa pod mikroskopom atomske sile. Sl. iz obravnavanega člena arXiv: 0806.2875

Sl. 5 prikazuje razporeditev elektronske gostote vzdolž črtkane črte, prikazane na sl. 4a.

Sl. 5. Porazdelitev elektronske gostote vzdolž črtkane črte, prikazane na sl. 4a. Sl. iz obravnavanega člena arXiv: 0806.2875

Skratka, raziskovalci pravijo, da resolucija 22 nm, ki so jo dosegli pri pridobivanju rentgenskih slik virusa, ni meja in se lahko najverjetneje izboljša z uporabo projekta X-FEL – vir koherentnega rentgenskega sevanja (rentgenski laser) na prostih elektronih,kar bo omogočilo, da bi še naprej dobili podrobnejše slike makromolekul, zlasti beljakovinskih kompleksov.

Vir: Changyong pesem, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S Shah, Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao. Kvantitativno slikanje enojnih, nerazvitih virusov s koherentnimi rentgenskimi žarki // arXiv: 0806.2875 (17. junij 2008).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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