décembre 4, 2021

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Imagerie atomique de protéines synthétiques

Science

Les scientifiques ont créé de fines feuilles de cristal ressemblant à du papier en utilisant une molécule synthétique semblable à une protéine appelée polypeptoïde. Ces nanofeuillets n’ont qu’une seule molécule d’épaisseur, avec des molécules disposées de manières très spécifiques. Les scientifiques prennent des photos de ces nanofeuillets à l’aide de microscopes électroniques dans des conditions cryogéniques. Jusqu’à récemment, ces images étaient floues en raison du petit nombre d’électrons qui peuvent traverser les plaques sans causer de dommages. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des algorithmes basés sur l’apprentissage automatique pour traiter environ 500 000 images indépendantes. Le résultat est la première image claire et réelle d’atomes individuels dans un matériau synthétique souple.

l’influence

Les polymères synthétiques sont essentiels à de nombreux produits que nous tenons pour acquis. Ceux-ci vont des meubles en plastique aux cellules modernes. Elle est également au cœur de dispositifs tels que les piles à combustible et les batteries rechargeables. Ces appareils sont de plus en plus importants dans le paysage émergent de l’énergie propre. Toutes les propriétés importantes des polymères synthétiques dépendent de la disposition de leurs atomes. La capacité des scientifiques à placer des atomes individuels dans des matériaux polymères améliorera notre compréhension des goulots d’étranglement qui limitent les performances des polymères synthétiques. Cette recherche représente également une étape importante dans l’ensemble des nanosciences.

sommaire

Pour la première fois, des scientifiques ont révélé les détails structurels atomiques d’un matériau synthétique souple. Les copolymères biblocs peptoïdes sont constitués de deux chaînes protéiques différentes liées ensemble. Ces matériaux sont conçus pour s’emboîter étroitement pour former des feuilles de cristal hautement organisées dans l’eau. Les molécules individuelles et leurs orientations relatives au sein des nanofeuillets ont été directement observées par microscopie électronique à transmission cryogénique (cryo-MET), révélant des détails atomiques dans l’espace du site inaccessibles par les techniques de diffusion conventionnelles. La température extrêmement froide utilisée dans la congélation rapide des nanofeuillets verrouille efficacement les molécules en place. L’imagerie de l’échantillon dans des conditions de refroidissement a permis d’empêcher les électrons énergétiques de détruire la structure. Pour mieux protéger les matériaux mous du faisceau d’électrons, les chercheurs ont utilisé moins d’électrons par image. Les images obtenues dans ces conditions ont été traitées à l’aide d’outils mathématiques avancés et d’algorithmes d’apprentissage automatique pour produire des images haute résolution de la structure à l’échelle atomique.

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La synthèse de co-précision de polymères peptoïdes, l’imagerie atomique Cryo-TEM et la modélisation informatique ont aidé les scientifiques à comprendre les structures des polymères au niveau atomique. Les chercheurs peuvent désormais apporter des modifications au niveau atomique pour concevoir les molécules cibles. Cela ouvre la voie à une ingénierie rationnelle des fonctions complexes dans les matériaux mous grâce à un contrôle systématique de leur composition chimique. La recherche a été menée en partie dans deux installations d’utilisateurs du DOE, la fonderie moléculaire et la source de lumière avancée.

La finance

Ce travail a été financé par le ministère de l’Énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Department of Materials Science and Engineering. Les travaux sur la fonderie moléculaire et la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory ont été soutenus par des projets d’utilisateurs dans ces installations d’utilisateurs, avec le soutien du ministère de l’Énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. Les images microscopiques présentées ici ont été acquises à l’installation Donner Cryo-TEM au Lawrence Berkeley National Laboratory et à l’installation Cryo-TEM dans la région de Berkeley Bay à l’UC Berkeley.

La source:

Référence de la revue :

Schwann, S.; et al. (2021) Géométrie du plan atomique et imagerie des réseaux cristallins polypeptoïdes. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.1909992116.