ภาพรังสีเอกซ์แรกของไวรัส• Yuri Erin •ข่าววิทยาศาสตร์เรื่อง "Elements" •ฟิสิกส์

ภาพเอ็กซเรย์แรกของไวรัส

มะเดื่อ 1 รูปแบบของการทดสอบ ภาพของไวรัสเริมของหนูที่ได้จากกล้องเมทริกซ์ CCD ได้ถูกแปลงโดยวิธีทางคณิตศาสตร์ของการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ไปสู่การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในไวรัสซึ่งหมายถึงการได้รับภาพเอ็กซเรย์ ไม่สามารถใช้เครื่องชั่งและสัดส่วนได้ มะเดื่อ จากบทความกล่าว arXiv: 0806.2875

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐฯและญี่ปุ่นได้รับภาพรังสีเอกซ์จากไวรัสด้วยความละเอียดบันทึก 22 นาโนเมตร ผู้เขียนหวังว่าความละเอียดนี้จะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยใช้โครงการ X-FEL ซึ่งเป็นเลเซอร์เอ็กซ์เรย์อิเล็กตรอนอิสระซึ่งจะทำให้ได้ภาพที่ละเอียดขึ้นของโมเลกุลเล็ก ๆ

ในปี 1950 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มที่หนึ่งโดย John Kendru และอีกคนหนึ่งโดย Max Perutz ได้ค้นพบโครงสร้างของเฮโมโกลบินและ myoglobin โดยการฉายรังสีด้วยรังสีเอกซ์จากนั้นใช้การวิเคราะห์รังสีเอกซ์ (X-ray analysis) จากจุดนี้ X-rays กลายเป็น "ผู้ช่วย" หลักในการศึกษาโครงสร้างสามมิติของโมเลกุลเล็ก ๆ

อย่างไรก็ตามสิ่งมีชีวิตทางชีววิทยาเช่นเซลล์อวัยวะภายใน (พูดประมาณ "อวัยวะ" ของเซลล์) ไวรัสและโมเลกุลอื่น ๆ ยากที่จะวิเคราะห์โครงสร้างรังสีเอกซ์เนื่องจากไม่สามารถเกิดการตกผลึกได้จุดอ่อนของการวิเคราะห์รังสีเอกซ์เป็นความต้องการของคริสตัลที่มีการตรวจสอบคุณภาพสูงตัวอย่างเช่นเป็นระยะ ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในการวิเคราะห์รังสีเอกซ์ของวัตถุสั่งบางส่วนหรือไม่สมบูรณ์ (โปรตีนดีเอ็นเอไวรัส ฯลฯ ) นักฟิสิกส์ใช้วิธีการกระเจิงแบบเล็ก ๆ ที่เรียกว่า ในกรณีนี้รังสีเอกซ์จะมีการกระจุกตัวอยู่ใกล้ลำแสงหลักในบริเวณที่มีมุมกระเจิงเล็ก ๆ นั่นคือมีความแตกต่างเล็กน้อย

ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้การถ่ายภาพเชิงปริมาณของไวรัสเดี่ยวที่ไม่มีรอยเปื้อนด้วยรังสีเอกซ์แบบเชื่อมโยงซึ่งปรากฏอยู่ในที่เก็บของ preprints กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากประเทศสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นรายงานว่าได้รับภาพ X-ray แรกของไวรัสตัวเดียว สำหรับสิ่งนี้เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้รังสีเอ็กซ์เรย์ที่เรียกว่า การพูดถึง "ภาพ" ผู้เขียนบทความหมายถึงการสร้างภาพของการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในไวรัส – รูปแบบ "การถ่ายภาพ" แต่ไม่ใช่ในช่วงแสง แต่อยู่ใน X-ray

นักวิทยาศาสตร์ได้รับภาพที่มีความคมชัดสูงของไวรัสโดยมีความละเอียด 22 นาโนเมตร (วันนี้ความละเอียดบันทึกของกล้องจุลทรรศน์รังสีเอ็กซ์เรย์ของรังสีคือ 15 นาโนเมตรซึ่งได้รับเมื่อต้นปีนี้Nanoscale X-Ray Diffraction ใช้กล้องจุลทรรศน์ในวารสาร สรวง รายได้ เลทท์) ความสนใจยังดึงความจริงที่ว่าวัตถุที่มีมวลโมเลกุลสามคำสั่งของขนาดน้อยได้รับการตรวจสอบกว่า macromolecules ศึกษาก่อนหน้านี้ "ถ่ายภาพ" เป็นไวรัสเริมของหนู (MHV-68) ซึ่งปิดการใช้งานด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตและสารละลาย glutaraldehyde 3% (เป็นสารที่มักใช้ฆ่าเชื้ออุปกรณ์ทางการแพทย์และฆ่าเชื้อ) ไวรัสเริมถูกละลายในเมทานอลที่มีความเข้มข้นประมาณ 20 ชิ้นต่อไมโครลิตร วิธีนี้ได้รับการตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้รังสีเอ็กซ์เรย์

รูปแบบของการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1. รังสีเอกซ์ที่มีพลังงาน 5 keV ผ่านช่องทางที่มีขนาด 20 micrometers ระยะห่างประมาณ 1 เมตรด้านหน้าของวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่ ก่อนมีตัวอย่างมีไวรัสมีซ็อกเก็ตป้องกัน silicon เพื่อป้องกันรังสีออปติคาร์ "ปรสิต" ที่มาจากกล้อง (ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง) ภาพที่ได้ถูกบันทึกไว้ในมิเตอร์จากวัตถุที่ศึกษาด้วย CCD-matrix (CCD-camera) ที่มีความละเอียด 1340 × 1300 พิกเซล (ขนาดหนึ่งพิกเซลคือ 20 micrometers)

เพื่อศึกษาผลของรังสีเอกซ์บนไวรัสซึ่งก็คือการหาจำนวนรังสีเอกซ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของภาพสามภาพถูกนำมาใช้ก่อนหน้านี้ 2a การเปรียบเทียบภาพอย่างรอบคอบพบว่ารังสีที่ดูดซึมโดยไวรัส (3 · 107 สีเทา) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ "insides" ของไวรัส ในภาพผลลัพธ์คุณยังสามารถดูว่าไวรัสมีขนาดประมาณ 200 นาโนเมตร

ภาพที่ถ่ายด้วยกล้อง CCD ไม่ใช่ผลหลักของนักวิจัย สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่างานหลักของการวิเคราะห์รังสีเอกซ์ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทดลองนี้) เป็นหลักเพื่อกำหนดขนาดและรูปร่างของเซลล์หน่วยของโครงสร้างผลึกของสารและการกำหนดความเป็นไปได้ของผลึกต่อหนึ่งกลุ่มสมมาตร ค่าความเข้มของการสะท้อนการเลี้ยวเบนทั้งหมดจากวัตถุ เป้าหมายขั้นสุดท้ายของการประมวลผลดังกล่าวคือการคำนวณความหนาแน่นของอิเล็กตรอนρ (x, Y, Z) ที่จุดใดก็ได้ในเซลล์คริสตัลที่มีพิกัด x, Y, Z เนื่องจากโครงสร้างของคริสตัลเป็นระยะ ๆ จึงเป็นไปได้ที่จะบันทึกความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในรูปแบบ Fourier:

V นี่คือปริมาตรของเซลล์หน่วย, ชั่วโมง, k, ล. – จำนวนเต็มบางตัวเรียกว่าดัชนีของ Miller (ประมาณพูดพวกเขาหมายถึงว่าเครื่องบินอะตอมถูกจัดอยู่ในคริสตัล) ผม – หน่วยจินตนาการและในที่สุดสิ่งที่สำคัญที่สุด – Fhkl, สัมประสิทธิ์ชุดฟูริเยร์เรียกว่า amplitudes โครงสร้าง "ความซับซ้อน" ทางคณิตศาสตร์เหล่านี้เป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อ "สรุปผล" การสะท้อนรังสีเอกซ์แบบ diffraction และจากนั้นได้ภาพของโครงสร้างจุลภาคของคริสตัลเนื่องจากไม่มีเลนส์ที่สามารถโฟกัสที่รังสีเอกซ์ได้

มะเดื่อ 2 ภาพของไวรัสที่ถ่ายด้วยกล้อง CCD (); ภาพเอ็กซเรย์ของไวรัส (); ไวรัสภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและการสแกน และ d ตามลำดับ) มะเดื่อ จากบทความกล่าว arXiv: 0806.2875

โดยทั่วไปแล้ว amplitudes โครงสร้างสามารถเป็นปริมาณที่ซับซ้อนดังนั้นจึงสามารถแสดงเป็นผลิตภัณฑ์ของโมดูลและเฟส:

Fhkl = |Fhkl| exp (hkl)

ในการทดลองเกี่ยวกับการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เฉพาะโมดูลเท่านั้นFhkl| หรือแทนที่จะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส |Fhkl|2แต่ไม่ใช่เฟส นี่เป็นปัญหาหลักในการวิเคราะห์รังสีเอกซ์ มีรูปแบบต่างๆของโครงสร้าง "ถอดรหัส" ของข้อมูลทดลอง ตัวอย่างเช่นการทดลองและข้อผิดพลาด ในวิธีนี้จะมีการเลือกแบบจำลองการทดสอบบางอย่างซึ่งค่าของ |Fhkl|พอควร และเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดลองFhkl|ประสบการณ์. ขึ้นอยู่กับค่าของสิ่งที่เรียกว่า R-factor (divergence factor):

โมเดลที่เสนอเป็นที่ยอมรับหรือปฏิเสธ แน่นอนว่าทางเลือกที่ดีที่สุดของแบบจำลองนี้เกิดขึ้นเมื่อค่าของ R-factor เป็นศูนย์

สำหรับโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นรวมถึงผลึกที่ไม่เป็นผลึกเช่นในงานที่อธิบายเช่นวิธีการ "ถอดรหัส" ข้อมูลนี้ถูกใช้: amplitudes โครงสร้างและขั้นตอนของพวกเขาจะถือว่าเป็นตัวแปรสุ่ม นอกจากนี้ฟังก์ชันการแจกแจงของตัวแปรสุ่มเหล่านี้จะได้รับซึ่งทำให้สามารถประมาณโดยคำนึงถึงข้อมูลการทดลองค่าที่น่าจะเป็นที่สุดของขั้นตอน จากนั้นใช้สูตร (1) ให้ได้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ต้องการและภาพของวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่ต่อไปนี้เราอธิบายถึงวิธีการ "ถอดรหัส" ข้อมูลไม่ครบถ้วน แต่เกณฑ์สำหรับความเหมาะสมของวิธีการเหล่านี้ในแต่ละกรณีคือปัจจัย R

ในบทความนี้ผู้เขียนใช้วิธีการที่เรียกว่า GHIO (อัลกอริทึมการส่งออกและนำเข้าแบบนำร่อง) ค่อนข้างคล้ายกับวิธีตัวแปรสุ่มเพื่อ "ถอดรหัส" ข้อมูล โดยวิธีการนี้ผู้แต่งได้ถอดรหัสภาพ 16 ภาพและในหมู่พวกเขาเลือก 5 ตัวที่มีค่า R-factor ต่ำสุด จากนั้นภาพห้าภาพเหล่านี้เป็นภาพ "เฉลี่ย" และได้ภาพสุดท้าย (รูปที่ 3a) เนื่องจากวิธีการที่ใช้ในการทดลองนี้ขึ้นอยู่กับตัวแปรสุ่มผู้เขียนจึงนำมาใช้อีกครั้งสำหรับภาพทั้ง 16 ภาพนี้ทำซ้ำขั้นตอนการสุ่มตัวอย่างภาพที่ดีที่สุดห้าภาพและจากนั้นค่อยคำนวณค่าเฉลี่ยต่อไป (รูป 3b) ตามที่ผู้เขียนความแตกต่างระหว่างตัวเลขเหล่านี้ไม่เกิน 2.3% ซึ่งบ่งบอกถึงความถูกต้องของวิธีการ "ถอดรหัส" นี้

มะเดื่อ 3 ภาพ X-ray ของไวรัส "ถอดรหัส" โดยใช้วิธี GHIO (ดูคำอธิบายในข้อความ) ความแตกต่างเล็ก ๆ ระหว่างภาพแสดงถึงการวิเคราะห์ข้อมูลความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในไวรัสที่ถูกต้อง มะเดื่อ จากบทความกล่าว arXiv: 0806.2875

นักวิจัยยังได้ภาพของไวรัสโดยใช้การสแกน (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบกระสุน2c) และการส่งผ่าน (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน, รูปที่ 2d) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน จากการเปรียบเทียบข้อมูลภาพผู้เขียนสามารถทราบได้ว่าภาพรังสีเอกซ์ของไวรัส (รูปที่ 2 ข) มีอัตราส่วนความคมชัดสูงสุด เพื่อให้ได้ภาพที่ดีขึ้นของภาพรังสีเอกซ์นักวิจัยได้ทำสีให้ได้ตามค่าความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในไวรัส (รูปที่ 4a) ภาพที่ 4b ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอม (ดูที่กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอม) เพื่อชี้แจงความหนาของไวรัส

มะเดื่อ 4 – ภาพในสีของการกระจายตัวของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนภายในไวรัส – ชนิดของสีภาพรังสีเอกซ์ "ของไวรัส ภาพของไวรัสภายใต้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอม มะเดื่อ จากบทความกล่าว arXiv: 0806.2875

มะเดื่อ แสดงการกระจายตัวของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนตามเส้นประที่แสดงในรูปที่ 5 4a

มะเดื่อ 5. การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนตามเส้นประที่แสดงในรูปที่ 4a มะเดื่อ จากบทความกล่าว arXiv: 0806.2875

สรุปได้ว่านักวิจัยกล่าวว่าความละเอียดของรังสีเอกซ์ 22 นาโนเมตรที่ได้รับจากการได้ภาพรังสีเอกซ์ไม่ได้เป็นข้อ จำกัด และน่าจะได้รับการปรับปรุงโดยใช้โครงการ X-FEL ซึ่งเป็นแหล่งรังสีเอกซ์ที่เชื่อมโยงกันกับอิเล็กตรอนอิสระซึ่งจะช่วยให้สามารถรับภาพ macromolecules ที่มีรายละเอียดมากขึ้นได้โดยเฉพาะในโปรตีนคอมเพล็กซ์

แหล่งที่มาของ: Changyong Song, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S ชาห์ Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao การถ่ายภาพเชิงปริมาณของไวรัสเดี่ยวที่ไม่มีรอยเปื้อนด้วยรังสีเอกซ์แบบร่วม / / arXiv: 0806.2875 (17 มิถุนายน 2551)

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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