Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия







Главная / Новости науки версия для печати

Впервые получено рентгеновское изображение вируса


Рис. 1. Схема эксперимента. Полученное камерой с ПЗС-матрицей изображение мышиного вируса герпеса с помощью математических методов рентгеноструктурного анализа преобразовывалось в распределение электронной плотности внутри вируса, что и означало «получение» рентгеновского снимка. Масштабы и пропорции не соблюдены. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875
Рис. 1. Схема эксперимента. Полученное камерой с ПЗС-матрицей изображение мышиного вируса герпеса с помощью математических методов рентгеноструктурного анализа преобразовывалось в распределение электронной плотности внутри вируса, что и означало «получение» рентгеновского снимка. Масштабы и пропорции не соблюдены. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875

Группе ученых из США и Японии удалось получить рентгеновское изображение вируса — с рекордным разрешением 22 нм. Авторы надеются, что это разрешение может быть в дальнейшем улучшено с помощью проекта X-FEL — рентгеновского лазера на свободных электронах, что позволит получать более детальные снимки макромолекул.

В 50-е годы прошлого века две группы ученых, возглавляемые одна Джоном Кендрю, другая Максом Перуцом, выяснили структуру гемоглобина и миоглобина, облучая их рентгеновскими лучами и используя затем метод рентгеноструктурного анализа (см. также X-ray crystallography). С этого момента рентгеновские лучи стали основным «помощником» в исследовании трехмерных структур макромолекул.

Однако биологические объекты, такие как клетки, органеллы (грубо говоря, «органы» клетки), вирусы и другие макромолекулы, трудно поддаются рентгеноструктурному анализу из-за невозможности их кристаллизации. Слабым местом рентгеноструктурного анализа является также требование высокого качества исследуемых кристаллов, например их периодичности. Чтобы как-то обойти эти проблемы, при рентгеноструктурном анализе частично упорядоченных или неупорядоченных вовсе объектов (белков, ДНК, вирусов и т. д.) физики прибегают к так называемому методу малоуглового рассеяния. Рентгеновское излучение в этом случае концентрируется вблизи первичного пучка — в области малых углов рассеяния, то есть является слабо расходящимся.

В работе Quantitative Imaging of Single, Unstained Viruses with Coherent X-rays, появившейся недавно в архиве препринтов, совместная группа ученых из США и Японии сообщила о том, что ею впервые получено рентгеновское изображение единичного вируса. Для этого был использован так называемый рентгеновский дифракционный микроскоп. Говоря об «изображении», авторы статьи имеют в виду визуализацию распределения электронной плотности внутри вируса — своего рода «фотографию», но только не в оптическом диапазоне, а в рентгеновском.

Ученым удалось получить высококонтрастное изображение вируса с почти рекордным разрешением — 22 нанометра (на сегодня рекордом разрешающей способности рентгеновского дифракционного микроскопа лучей является величина 15 нм, достигнутая в начале этого года; см. работу Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy в журнале Phys. Rev. Lett.). Обращает на себя внимание также тот факт, что исследованию подвергся объект с молекулярной массой на три порядка меньше, чем макромолекулы, исследованные ранее. «Сфотографирован» был мышиный вирус герпеса (MHV-68), деактивированный импульсом ультрафиолетового излучения и трехпроцентным раствором глутаральдегида (это вещество, которое часто используется для стерилизации медицинского оборудования и дезинфекции). Вирусы герпеса были растворены в метаноле с концентрацией около 20 штук на микролитр. Этот раствор и был исследован под рентгеновским дифракционным микроскопом.

Схема эксперимента приведена на рис. 1. Рентгеновское излучение с энергией 5 кэВ проходило через отверстие размером 20 микрометров, расположенное на расстоянии около 1 метра перед исследуемым объектом. Чуть впереди образца с вирусами располагалась кремниевая защитная прорезь для блокирования «паразитного» оптического излучения, идущего от камеры (о ней будет сказано далее). Полученное изображение фиксировалось расположенной в метре от объекта исследования камерой с ПЗС-матрицей (CCD-камера) с разрешением 1340 × 1300 пикселей (размер одного пикселя составляет 20 микрометров).

Для изучения влияния рентгеновского излучения на вирус, то есть выяснения того, как сильно рентген изменяет его внутреннюю структуру, предварительно было сделано три снимка, один из которых приведен на рис. 2a. Аккуратное сравнение снимков показало, что поглощенная вирусом доза облучения (3·107 Грэй) существенно не изменяет «внутренности» вируса. На полученном изображении также можно увидеть, что размер вируса составляет приблизительно 200 нм.

Снимок, полученный камерой с ПЗС-матрицей, не является главным результатом исследователей. Важно понимать, что основные задачи рентгеноструктурного анализа (в частности, в этом эксперименте) — это прежде всего установление размеров и формы элементарной ячейки кристаллической структуры вещества и последующее определение принадлежности кристалла к одной из групп симметрии, коих всего насчитывается 230. Для этого необходимо математически обработать значения интенсивностей всех дифракционных отражений от данного объекта. Окончательная цель такой обработки состоит в вычислении по экспериментальным данным значений электронной плотности ρ (хyz) в любой точке ячейки кристалла с координатами хyz. Так как строение кристалла приблизительно периодическое, то существует возможность записать электронную плотность в нём через ряд Фурье:

    

Здесь V — объем элементарной ячейки, hkl — некоторые целые числа, называемые индексами Миллера (грубо говоря, они обозначают, как располагаются атомные плоскости в кристалле), i — мнимая единица и, наконец, самое важное — Fhkl, коэффициенты ряда Фурье, называемые структурными амплитудами. Эти математические «сложности» необходимы для того, чтобы «просуммировать» дифракционные рентгеновские отражения и затем получить изображение микроструктуры кристалла, поскольку не существует линз, способных фокусировать рентгеновское излучение.

Рис. 2. Изображение вируса, полученное с помощью камеры с ПЗС-матрицей (a); рентгеновское изображение вируса (b); снимок вируса под сканирующим и просвечивающим электронным микроскопом (c и d соответственно). Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875
Рис. 2. Изображение вируса, полученное с помощью камеры с ПЗС-матрицей (a); рентгеновское изображение вируса (b); снимок вируса под сканирующим и просвечивающим электронным микроскопом (c и d соответственно). Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875

Структурные амплитуды, вообще говоря, могут быть комплексными величинами, поэтому их можно представить в виде произведения модуля и фазы:

    Fhkl = |Fhkl|exp(hkl)

В эксперименте по дифракции рентгеновских лучей физически измерить можно лишь модуль |Fhkl|, а точнее, его квадрат |Fhkl|2, но не фазу. И это главная проблема в рентгеноструктурном анализе. Существуют разные модели структурной «расшифровки» экспериментальных данных. Например, метод проб и ошибок. В этом методе выбирается некая пробная физическая модель, в которой считаются значения |Fhkl|mod и сравниваются с экспериментальными данными |Fhkl|exp. В зависимости от значения так называемого R-фактора (фактора расходимости):

    

предложенную модель либо принимают, либо отвергают. Разумеется, оптимальный выбор модели происходит, когда значение R-фактора равно нулю.

Для более сложных структур, в том числе и некристаллических, как в описываемой работе, например, применяется такой метод «расшифровки» данных: структурные амплитуды и их фазы рассматриваются как случайные величины. Далее выводятся функции распределения этих случайных величин, которые дают возможность оценить, с учетом экспериментальных данных, наиболее вероятные значения фаз. А далее, используя формулу (1), получают искомое распределение электронной плотности, а вместе с ним и изображение изучаемого объекта. Здесь мы кратко описали далеко не все методы «расшифровки» данных, но критерием пригодности этих методов в каждом случае является R-фактор.

В этой работе для «расшифровки» данных авторы пользовались методом под названием GHIO (guided hybrid input-output algorithm), несколько похожим на метод случайных величин. Этим методом авторы расшифровали 16 дифракционных изображений и среди них выбрали пять с наименьшим значением R-фактора. Затем эти пять изображений были «усреднены» и таким образом было получено окончательное изображение (рис. 3a). Поскольку метод, использованный в данном эксперименте, основывался на случайных величинах, то авторы применили его еще раз для этих 16 изображений, повторив процедуру выборки пяти лучших изображений и затем их дальнейшего усреднения (рис. 3b). По утверждению авторов, различие этих рисунков, не превышает 2,3%, что говорит о корректности этого метода «расшифровки».

Рис. 3. Рентгеновские изображения вируса, «расшифрованные» методом GHIO (см. описание в тексте). Малое отличие между изображениями указывает на корректный анализ данных электронной плотности внутри вируса. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875
Рис. 3. Рентгеновские изображения вируса, «расшифрованные» методом GHIO (см. описание в тексте). Малое отличие между изображениями указывает на корректный анализ данных электронной плотности внутри вируса. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875

Также исследователями было получено изображение вируса с помощью сканирующего (Scanning electron microscope, рис. 2c) и просвечивающего (Transmission electron microscopy, рис. 2d) электронных микроскопов. Сравнивая данные изображения, можно, по утверждению авторов, увидеть, что рентгеновский снимок вируса (рис. 2b) обладает наибольшей контрастностью. Для лучшей визуализации полученного рентгеновского изображения исследователи раскрасили снимок в соответствии со значениями электронной плотности внутри вируса (рис. 4а). Изображение 4b с помощью атомно-силового микроскопа (см. также Atomic force microscope) приведено для уточнения толщины вируса.

Рис. 4. a — визуализация в цвете распределения электронной плотности внутри вируса — своего рода цветная рентгеновская «фотография» вируса. b — изображение вируса под атомно-силовым микроскопом. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875
Рис. 4. a — визуализация в цвете распределения электронной плотности внутри вируса — своего рода цветная рентгеновская «фотография» вируса. b — изображение вируса под атомно-силовым микроскопом. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875

Рис. 5 показывает распределение электронной плотности вдоль пунктирной линии, изображенной на рис. 4a.

Рис. 5. Распределение электронной плотности вдоль пунктирной линии, показанной на рис. 4a. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875
Рис. 5. Распределение электронной плотности вдоль пунктирной линии, показанной на рис. 4a. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0806.2875

В заключении исследователи говорят о том, что достигнутое ими разрешение 22 нм в получении рентгеновского изображения вируса не является пределом и, скорее всего, может быть улучшено с помощью проекта X-FEL — источника когерентного рентгеновского излучения (рентгеновского лазера) на свободных электронах, что позволит в дальнейшем заняться получением более детальных снимков макромолекул, в частности белковых комплексов.

Источник: Changyong Song, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S Shah, Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao. Quantitative Imaging of Single, Unstained Viruses with Coherent X-rays // arXiv:0806.2875 (17 June 2008).

Юрий Ерин


Комментарии (6)



Последние новости: ФизикаЮрий Ерин

22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
21.08
ICHEP 2016: Тяжелых экзотических частиц по-прежнему не видно
20.08
Тяжелый пентакварк окончательно подтвержден
19.08
ICHEP 2016: Всплеск при 2 ТэВ закрыт
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
16.08
Опубликованы первые результаты эксперимента MoEDAL
16.08
Обновление страницы «Загадки Большого адронного коллайдера»
12.08
ПК обогнал суперкомпьютеры в решении задачи трехчастичного рассеяния
11.08
ICHEP 2016: ttH-аномалия пока держится
11.08
ICHEP 2016: намеков на суперсимметрию, за одним исключением, пока не видно

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия