Пикосекундные лазеры поднимают криоэлектронную микроскопию на совершенно новый уровень

Ученые создали метод повышения контраста в криоэлектронной микротомографии мозговых тканей с использованием сверхбыстрых лазеров.Пикосекундные лазеры значительно увеличат разрешающую способность криоэлектронных микроскопов.Источник: https://phys.org/

Международная группа ученых из Колумбийского университета и лаборатории Макссона при Корнеллском университете предложила инновационный способ повышения качества изображений, получаемых с помощью криоэлектронной томографии (cryo-ET). Исследование опубликовано в журнале eLife и уже привлекло внимание научного сообщества, так как может значительно улучшить визуализацию биологических структур на молекулярном уровне.

Cryo-ET, как метод, направляет электронные пучки на сильно охлажденные образцы, создавая трехмерные изображения их внутренней структуры с почти атомным разрешением. Тем не менее, из-за слабого взаимодействия между электронами и биомолекулами итоговые снимки имеют низкий контраст — детали выглядят размазанными. Ученые нашли оригинальное решение этой проблемы: они встроили лазер, который излучает короткие импульсы, нацеленные на электроны, прошедшие через образец без взаимодействия, изменяя их свойства. Это лазерное «корректирование» способствует увеличению контраста и делает полученные изображения более четкими и информативными.

Трехмерная визуализация замороженной ткани при криоэлектронной микроскопииИсточник: https://phys.org/

Как это работает и зачем нужно

Суть метода заключается в том, что лазер должен воздействовать на отдельный электрон за триллионную долю секунды (10-12с или пикосекунду). Это крайне короткий временной промежуток, однако, согласно исследованию, он вполне реализуем. В то же время электроны движутся с почти световой скоростью, что делает задачу синхронизации воздействия еще более сложной. В будущем такая технология позволит ученым получать более детальные трехмерные снимки молекул, вовлеченных в функционирование мозга, а также в патологические процессы, такие как образование патогенных белковых агрегатов при болезнях Альцгеймера или Паркинсона.

По словам ведущего автора исследования Дэниела Ду, лазер должен успеть «поймать» электрон в нужный момент, что является техническим вызовом. При этом улучшение контраста — это ключ к более глубокому пониманию биологических механизмов и разработке новых лекарственных стратегий.

Схема взаимодействия лазера и криоэлектронного микроскопа

Схема лазерной оптики, интегрированной в USEM (сверхбыстрый КЭМ) для проведения пондеромоторных экспериментов. А) Импульсный лазер (зеленый) пересекается со стробированным электронным лучом (фиолетовый) ортогонально, заставляя каждый взаимодействующий электронный пакет вести себя так, как будто он проходит через вогнутую цилиндрическую линзу. Пондеромоторный эффект импульсного лазера расфокусирует электронный луч и одновременно вызывает фазовый сдвиг. B. Поперечное сечение USEM, на котором показаны оптические соединения. Электронный пучок фокусируется в узкую точку для достижения высокого разрешения, но взаимодействие расширяет подмножество сфокусированных электронов. Был установлен набор перископов, обеспечивающих максимальную дальность распространения сигнала после взаимодействия, но не являющихся необходимыми для самого пондеромоторного взаимодействия. С. Изображение золотой фольги (отверстия диаметром 290 нм), используемой для экспериментов, с интересующей областью, выделенной красным прямоугольником.Источник: https://elifesciences.org/

Пикосекундные лазеры — это не предел технологического прогресса. Недавно обсуждались фемтосекундные лазеры, где световой импульс огромной мощности длится всего 10-15с.

Фото: hi-tech.mail.ru