A vírus első röntgenképe • Yuri Erin • Tudományos hírek a "Elemek" -ről • Fizika

A vírus első röntgenképe

Ábra. 1. A kísérlet sémája. A CCD-mátrix kamerával kapott egér herpeszvírus képét a röntgendiffrakciós analízis matematikai módszerei transzformálják a víruson belüli elektronsűrűség eloszlásába, ami röntgenfelvétel "megszerzését" jelentette. A mérlegek és arányok nem teljesülnek. Ábra. a tárgyalt cikk arXiv: 0806.2875

Az USA-ból és Japánból származó tudósok egy csoportja röntgenképi képet kapott a vírusról – rekord felbontása 22 nm volt. A szerzők remélik, hogy ez az állásfoglalás tovább javítható az X-FEL projekt, egy ingyenes elektron röntgensugaras lézer segítségével, amely lehetővé teszi a makromolekulák részletesebb ábrázolását.

Az 1950-es években két, John Kendru és a másik által Max Perutz által vezetett tudóscsoport tudta a hemoglobin és a mio-globin szerkezetét röntgensugarakkal való besugárzással, majd röntgen-analízissel (lásd röntgenkrisztallográfia) is. Ettől a ponttól kezdve a röntgensugarak a fő "segítő" lettek a makromolekulák háromdimenziós struktúrájának tanulmányozása során.

Ugyanakkor biológiai tárgyak, mint például sejtek, organellák (nagyjából "sejtek" szervek "), vírusok és más makromolekulák, a kristályosodás lehetetlenségének köszönhetően nehéz röntgen szerkezeti elemzésre.A röntgen-analízis gyenge pontja szintén a vizsgált kristályok magas minõségének követelménye, például azok periodicitása. Ezeknek a problémáknak a megkerülésére, a részlegesen rendezett vagy teljesen rendezetlen tárgyak (fehérjék, DNS, vírusok stb.) Röntgensugaras elemzésére a fizikusok az ún. Kisszögű szórási módszerre támaszkodnak. Ebben az esetben a röntgen sugárzás az elsődleges gerenda közelében koncentrálódik – kis szórási szögek tartományában, vagyis kissé eltérően.

Egy nemrégiben készült tanulmányban, amely a koherens röntgensugárzók mennyiségi képalkotó képességeit tartalmazza, amelyek megjelentek a preprintek archívumában, az Egyesült Államok és Japán kutatóinak egy közös csoportja arról számolt be, hogy először röntgenfelvételt kapott egyetlen vírusról. Ehhez egy úgynevezett röntgendiffrakciós mikroszkópot használtunk. A "kép" -ről szólva a cikk szerzői a víruson belüli elektronsűrűség eloszlásának vizualizációját jelentik – egyfajta "fénykép", de nem az optikai tartományban, hanem a röntgensugárban.

A tudósok sikerült nagy kontrasztú képet kapniuk a vírusról, közel rekord felbontású 22 nanométerrel (ma a röntgensugár-diffrakciós mikroszkóp rekord felbontása 15 nm, ez az év elején érte el;Nanoméretű röntgensugár-diffrakció mikroszkóp segítségével a folyóiratban Phys. Rev. Lett.). Felhívjuk a figyelmet arra is, hogy a három nagyságrenddel kisebb molekulatömegű tárgyat kevésbé vizsgálták, mint a korábban vizsgált makromolekulákat. "Fényképezett" egér herpeszvírus (MHV-68), amelyet ultraibolya sugárzással dezaktiváltak és egy 3% -os glutáraldehid oldatot (egy anyagot gyakran használnak az orvosi eszközök sterilizálására és fertőtlenítésére). A herpeszvírusokat metanolban oldottuk fel körülbelül 20 egység / ml-es koncentrációban. Ezt az oldatot röntgendiffrakciós mikroszkóp alatt vizsgáltuk.

A kísérlet sémáját az 1. ábrán mutatjuk be. 1. Az 5 keV energiájú röntgensugárzás a 20 mikrométert mérő nyíláson keresztül, körülbelül 1 m távolságban a vizsgált tárgy előtt. Közvetlenül a minta vírusai előtt egy szilícium védő nyílás volt, amely megakadályozta a kamerából érkező "parazita" optikai sugárzást (amit később tárgyalunk). Az eredményül kapott képet a mérés során a CCD-mátrix (CCD-kamera) 1340 × 1300 képpont felbontású (egy pixel 20 mikrométeres felbontású) mérés során vettük fel.

A röntgen sugárzás vírusra gyakorolt ​​hatásának tanulmányozására, vagyis arra, hogy megtudjuk, mennyi röntgen megváltoztatja belső szerkezetét, korábban három képet készítettek, amelyek közül az egyik a 3. ábrán látható. 2a. A képek gondos összehasonlítása azt mutatta, hogy a vírus által elnyelt sugárzási dózis (3. 107 Szürke) nem változtatja meg jelentősen a vírus "belső" részét. A kapott képen látható, hogy a vírus mérete körülbelül 200 nm.

A CCD kamerával készített kép nem a kutatók fő eredménye. Fontos megérteni, hogy a röntgensugaras elemzés fő feladata (különösen ebben a kísérletben) elsősorban az anyag kristályszerkezetének egysejtének méretét és alakját határozza meg, majd a kristálynak a szimmetriacsoportok egyikéhez való hozzárendelését, összesen 230-at. Ehhez matematikailag meg kell vizsgálni az objektum összes diffrakciós reflexiójának intenzitási értékei. Az ilyen feldolgozás végső célja az elektronsűrűség kiszámítása ρ (x, y, Z) a koordinátákban lévő kristálycellában x, y, z. Mivel a kristály szerkezete megközelítőleg periódikus, lehetséges az elektronsűrűség rögzítése egy Fourier-sorozaton keresztül:

Itt V az egység cella térfogata, h, k, l – néhány egész szám, Miller indexek (durván szólva, jelzik, hogy az atomcsíkok hogyan vannak elrendezve egy kristályban), én – képzeletbeli egység és végül a legfontosabb – FHKL, Fourier-sorozat-együtthatók, strukturális amplitúdóknak nevezik. Ezek a matematikai "bonyolultságok" ahhoz szükségesek, hogy "összegezzük" a diffrakciós röntgenképi reflexiókat, majd megkapjuk a kristály mikroszerkezetének képét, mivel nincsenek objektívek, amelyek képesek a röntgensugarak fókuszálására.

Ábra. 2. A CCD kamerával készített vírus képét (egy); a vírus röntgenképe (b); vírus kép egy szkennelési és átviteli elektronmikroszkóppal (c és d -kal). Ábra. a tárgyalt cikk arXiv: 0806.2875

Általánosságban elmondható, hogy a szerkezeti amplitúdók lehetnek komplex mennyiségek, így azok a modul és a fázis termékének tekinthetők:

FHKL = |FHKLexp (HKL)

A röntgendiffrakciós kísérletben csak a modulFHKLvagy inkább annak négyzetétFHKL|2de nem fázist. És ez a fő probléma a röntgen-analízisben. A kísérleti adatok szerkezeti "dekódolásának" különböző modelljei vannak. Például próbálkozás és hiba. Ebben a módszerben kiválasztunk egy bizonyos teszt fizikai modellt, amelyben a |FHKL|mod és összehasonlítva a kísérleti adatokkalFHKL|exp. Az úgynevezett R-tényező (divergencia faktor) értékétől függően:

a javasolt modellt elfogadják vagy elutasítják. Természetesen a modell optimális választása akkor következik be, ha az R-faktor értéke nulla.

A bonyolultabb struktúrákhoz, ideértve a nem kristályosakat is, például a leírásban leírtak szerint, ezt a "dekódolási" módszert alkalmazzuk: a strukturális amplitúdókat és azok fázisait random változóként kezeljük. Továbbá ezeknek a véletlen változóknak az elosztási függvényei származnak, amelyek lehetővé teszik a kísérleti adatok figyelembevételével a fázisok legvalószínűbb értékeinek becslését. Továbbá az (1) képlet segítségével megkapjuk az elektronsűrűség kívánt eloszlását, és vele együtt a vizsgált tárgy képét.Itt röviden leírjuk az adatok "visszafejtésének" nem minden módját, de az egyes módszerek alkalmasságára vonatkozó kritérium az R-faktor.

Ebben a tanulmányban a szerzők egy olyan eljárást használtak, amelynek neve "GHIO" (irányított hibrid bemeneti-kimeneti algoritmus), ami hasonló a véletlenszerű változó módszeréhez, hogy "megfejtse" az adatokat. Ezzel a módszerrel a szerzők dekódoltak 16 diffrakciós képet, közülük ötet választottak a legalacsonyabb R-faktor értékkel. Ezután az öt képet "átlagolták", és így a végleges képet kaptuk (3a. Mivel a kísérletben alkalmazott módszer véletlenszerű változókon alapult, a szerzők újra alkalmazták ezeket a 16 képet, megismételve az öt legjobb képminta mintavételét, majd további átlagolásukat (3b. Ábra). A szerzők szerint ezeknek a számoknak a különbsége nem haladja meg a 2,3% -ot, ami a "dekódolási" módszer helyességét jelzi.

Ábra. 3. A vírus röntgenképei, a "dekódolva" a GHIO módszerrel (lásd a leírásban a szöveget). A képek között kis különbség mutat a víruson belüli elektronsűrűség adatok megfelelő elemzését. Ábra. a tárgyalt cikk arXiv: 0806.2875

A kutatók a vírus képét is beolvasztották (Scanning electron microscope, Fig.2c) és az átvitel (transzmissziós elektronmikroszkópia, 2d ábra) elektronmikroszkópokat. A képadatok összehasonlításával a szerzők szerint a vírus röntgenképe (2b. Ábra) a legnagyobb kontrasztarányt képviseli. A kapott röntgenkép jobb megjelenítéséhez a kutatók a vírusban lévő elektronsűrűségértékeknek megfelelően színezték a képet (4a. Ábra). A 4b. Ábrán atomi erő mikroszkóp segítségével (lásd még Atomikus erõ mikroszkóp) a vírus vastagságának tisztázására szolgálnak.

Ábra. 4. egy – a víruson belüli elektronsűrűség eloszlásának színes megjelenése – a vírus egyfajta színes röntgensugara "kép". b – A vírus képe atomos erő mikroszkóp alatt. Ábra. a tárgyalt cikk arXiv: 0806.2875

Ábra. Az 5. ábra az elektronsűrűség eloszlását szemlélteti a 3. ábrán látható szaggatott vonal mentén. 4a.

Ábra. 5. Az elektronsűrűség-eloszlás a szaggatott vonal mentén a 3. ábrán látható. 4a. Ábra. a tárgyalt cikk arXiv: 0806.2875

Összefoglalva, a kutatók azt mondják, hogy a vírus röntgenfelvételeinek elérésében elért 22 nm-es felbontás nem a határérték, és valószínűleg az X-FEL-rel – a koherens röntgensugárzás (röntgensugárzó) forrása a szabad elektronokonamely lehetővé teszi, hogy továbbra is részletesebb képet kapjanak a makromolekulákról, különösen a fehérje komplexekről.

Forrás: Changyong Song, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S Shah, Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao. Egységes, nem specifikus vírusok koherens röntgensugárzással képzett mennyiségi képzése // arXiv: 0806.2875 (2008. június 17.).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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