Was ist Kryoelektronenmikroskopie?
Die Kryoelektronenmikroskopie ist eine Art der Transmissionselektronenmikroskopie, die die Beobachtung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen und anderen Biomolekülen durch Einfrieren von Proben in flüssigem Stickstoff (-196 °C) ermöglicht.
Die Analysemethoden der Kryoelektronenmikroskope haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und 2017 wurde der Nobelpreis für Chemie an drei Forscher verliehen, die an ihrer Entwicklung beteiligt waren. Als neue Analysetechnik, die in den letzten Jahren in die Praxis umgesetzt wurde, wird sie in Zukunft voraussichtlich einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung verschiedener Bereiche leisten, darunter die Arzneimittelforschung, die Medizin und die Biowissenschaften.
Anwendungen der Kryoelektronenmikroskopie
Die Kryoelektronenmikroskopie wurde entwickelt, um die dreidimensionale Struktur von Biomolekülen wie Proteinen mit hoher Auflösung zu analysieren. Die herkömmliche Röntgenkristallographie ist wegen der Schwierigkeit der Proteinkristallisation schwierig zu analysieren, aber die Kryoelektronenmikroskope ermöglicht es, Proteine in Lösung zu analysieren. Es ist auch möglich, hohe Molekulargewichte zu analysieren, was mit der kernmagnetischen Resonanzanalyse (NMR) schwierig ist.
Durch aktive Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren konnte die Auflösung drastisch verbessert werden, so dass Analysen auf atomarer Ebene bis hinunter zu 1,5 Å möglich sind (1 Å (Angström) = 10 in der zehnten Potenz eines Meters).
Funktionsweise der Kryoelektronenmikroskopie
Mit der Transmissions-Elektronenmikroskopie, der Grundlage der Kryoelektronenmikroskope, war es schwierig, Strukturen, die Wassermoleküle enthalten wie z. B. Proteine unter Beibehaltung ihrer Struktur zu beobachten, da die Probe im Vakuum mit Elektronenstrahlen bestrahlt wurde. Die Kryoelektronenmikroskope ermöglichen die Beobachtung unter Beibehaltung der Struktur durch schnelles Einfrieren der Probe in flüssigem Stickstoff (-196 °C).
Bei der Beobachtung der Molekülstrukturen von Proteinen und anderen Molekülen mit Kryoelektronenmikroskopie werden schwache Elektronenstrahlen eingestrahlt, um die Beschädigung der Molekülstrukturen durch die Elektronenstrahlen zu minimieren. Die resultierenden Bilder sind daher sehr verrauscht. Daher wird eine große Anzahl von Fotos desselben Proteins aufgenommen und die dreidimensionale Struktur des Proteins durch Mittelwertbildung aus einer großen Anzahl von Bilddaten rekonstruiert. Eine solche Analysetechnik ist als Einzelteilchenanalyse bekannt.
Hinter der praktischen Anwendung und der Leistungsverbesserung von Kryoelektronenmikroskopen stehen natürlich Verbesserungen der Leistung der Geräte selbst, wie der Elektronenkanone, der Linsen und Kameras, einschließlich des Kühlmechanismus, aber auch viele technologische Innovationen wie neue Bildanalysetechniken auf der Grundlage von Deep Learning und eine verbesserte Rechenleistung der Computer.