Пикосекундные лазеры выводят на новый уровень криоэлектронную микроскопию

Ученые разработали метод усиления контраста в криоэлектронной микротомографии тканей мозга с помощью сверхбыстрых лазеров.

Пикосекундные лазеры кратно повысят разрешающую способность криоэлектронных микроскопов.

Источник: https://phys.org/

Международная команда ученых из Колумбийского университета и лаборатории Макссона при Корнеллском университете предложила новаторский способ повысить качество изображений, получаемых методом криоэлектронной томографии (cryo-ET). Работа опубликована в журнале eLife и уже вызвала интерес научного сообщества, поскольку может существенно улучшить визуализацию биологических структур на уровне отдельных молекул.

Cryo-ET, как метод, направляет пучки электронов на сильно охлажденные образцы, получая трехмерные изображения структур внутри них с почти атомным разрешением. Однако из-за слабого взаимодействия между электронами и биомолекулами итоговые снимки отличаются низким контрастом — детали выглядят размытыми. Ученые решили эту проблему необычным способом: они интегрировали лазер, испускающий короткие импульсы, которые нацеливаются на электроны, прошедшие через образец без взаимодействия с ним, и изменяют их свойства. Такое лазерное «корректирование» способствует усилению контраста и делает итоговые изображения более четкими и информативными.

Трехмерная визуализация замороженной ткани при криоэлектронной микроскопии

Источник: https://phys.org/

Как это работает и зачем нужно

Суть подхода заключается в том, что лазер должен воздействовать на отдельный электрон за триллионную долю секунды (10^-12с или пикосекунду). Это невероятно короткий временной интервал, но, согласно исследованию, вполне достижимый. При этом электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света, что делает задачу синхронизации воздействия еще более сложной. В перспективе подобная технология позволит исследователям получать более детальные трехмерные снимки молекул, участвующих в работе мозга, а также в патологических процессах, таких как образование патогенных белковых агрегатов при болезни Альцгеймера или Паркинсона.

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

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 — отнюдь не предел технологического совершенства. Недавно мы рассказали о фемтосекундных лазерах, где световой импульс огромной мощности длится всего 10^-15с.