क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो-ईएम) एक क्रायोमाइक्रोस्कोपी प्रणाली है जिसे क्रायोजेनिक तापमान पर ठंडा किए गए नमूनों पर प्रयुक्त किया जाता है। जैविक नमूनों के लिए, संरचना को अनाकार बर्फ के वातावरण में एम्बेड करके संरक्षित किया जाता है। जलीय नमूना समाधान एक ग्रिड-जाल और तरल ईथेन या तरल ईथेन और प्रोपेन के मिश्रण में जमे हुए जमे हुए पर प्रयुक्त होता है। जबकि प्रणाली का विकास 1970 के दशक में प्रारंभ हुआ था, अनुवेदक प्रौद्योगिकी और सॉफ्टवेयर एल्गोरिदम में वर्तमान प्रगति ने निकट-परमाणु विश्लेषण पर जैव-आणविक संरचनाओं के निर्धारण की अनुमति दी है। इसने क्रिस्टलीकरण की आवश्यकता के बिना मैक्रोमोलेक्युलर संरचना निर्धारण के लिए एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी या एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के विकल्प के रूप में दृष्टिकोण पर व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। 2017 में, रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार जैक्स डबोचेट, जोआचिम फ्रैंक और रिचर्ड हेंडरसन (जीवविज्ञानी) को समाधान में जैव-अणुओं के उच्च- विश्लेषण संरचना निर्धारण के लिए क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी विकसित करने के लिए दिया गया था। प्रकृति के तरीके ने 2015 में क्रायो-ईएम को वर्ष की विधि के रूप में नामित किया।

फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, लॉज़ेन विश्वविद्यालय और जिनेवा विश्वविद्यालय ने नवंबर 2021 के अंत में डबोचेट सेंटर फ़ॉर इमेजिंग (डीसीआई) खोला, जिसमें क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी की प्रणाली को सर्वोत्तम संभव तरीके से प्रयुक्त किया जाना है। और दूसरी ओर और विकसित सार्स-कोव-2 ओमिक्रॉन वैरिएंट की पहली पहचान के एक महीने से भी कम समय में, डीसीआई के शोधकर्ता इसकी संरचना को परिभाषित करने, व्यक्तिगत टीकों को दरकिनार करने के लिए महत्वपूर्ण म्यूटेशन की पहचान करने और नए चिकित्सीय दृष्टिकोणों के लिए अंतर्दृष्टि प्रदान करने में सक्षम थे।

ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन क्रायोमाइक्रोस्कोपी
ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन क्रायोमाइक्रोस्कोपी (क्रायो-टीईएम) ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी प्रणाली है जिसका उपयोग संरचनात्मक जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान में किया जाता है।


 * इलेक्ट्रॉन क्रायोटोमोग्राफी (क्रायो-ईटी), विशेष अनुप्रयोग जहां नमूनों को झुकाए जाने पर उनकी छवि बनाई जाती है
 * इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी, टीईएम का उपयोग करके ठोस पदार्थों में परमाणुओं की व्यवस्था निर्धारित करने की विधि
 * माइक्रोक्रिस्टल इलेक्ट्रॉन विवर्तन, 3डी क्रिस्टल से इलेक्ट्रॉन विवर्तन का उपयोग करके प्रोटीन, पेप्टाइड, कार्बनिक अणुओं और अकार्बनिक यौगिकों की संरचना निर्धारित करने की विधि
 * एकल कण विश्लेषण क्रायो-ईएम, मोनोडिस्पर्स नमूनों से प्रोटीन संरचना निर्धारित करने के लिए औसत विधि

प्रारंभिक विकास
1960 के दशक में, उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम के कारण विकिरण क्षति के कारण संरचना निर्धारण विधियों के लिए संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग सीमित था। वैज्ञानिकों ने परिकल्पना की कि कम तापमान पर नमूनों की जांच करने से बीम-प्रेरित विकिरण क्षति कम हो जाएगी। तरल हीलियम (−269 सेल्सियस|°C या 4 केल्विन या -452.2 फ़ारेनहाइट|°F) और तरल नाइट्रोजन (-195.79 °C या 77 K या -320 °F) दोनों को क्रायोजेन माना जाता था। 1980 में, इरविन नापेक और जैक्स डबोचेट ने क्रायोजेनिक तापमान पर बीम क्षति पर टिप्पणियों को साझा करते हुए टिप्पणियां प्रकाशित की:

कार्बन फिल्म पर लगे पतले क्रिस्टल कमरे के तापमान की तुलना में 4 K पर 30 से 300 गुना अधिक बीम-प्रतिरोधी पाए गए... हमारे अधिकांश परिणामों को यह मानकर समझाया जा सकता है कि 4 K के क्षेत्र में क्रायोप्रोटेक्शन है दृढ़ता से तापमान पर निर्भर। 

चूंकि, ये परिणाम प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य नहीं थे और केवल दो साल बाद प्रकृति (पत्रिका) में संशोधन प्रकाशित किए गए थे, जिसमें सूचित किया गया था कि बीम प्रतिरोध प्रारंभिक अनुमान से कम महत्वपूर्ण था। एल-वेलिन के मानक नमूनों के लिए 4K पर प्राप्त सुरक्षा दस गुना के करीब थी, पहले जो कहा गया था, उससे कहीं अधिक थी।

1981 में, यूरोपीय आणविक जीवविज्ञान प्रयोगशाला के वैज्ञानिकों अलास्डेयर मैकडॉवल और जैक्स डबोचेट ने क्रायो-ईएम के पहले सफल कार्यान्वयन की सूचना दी। मैकडॉवल और डबोचेट विट्रिफिकेशन शुद्ध पानी को पतली फिल्म में हाइड्रोफिलिक कार्बन फिल्म पर छिड़क कर शुद्ध करते हैं जो तेजी से क्रायोजेनिक्स (तरल प्रोपेन या तरल एटैन को 77 K तक ठंडा किया जाता है) में डुबोया गया था। अनाकार बर्फ की पतली परत 1 माइक्रोमीटर से कम मोटी थी और इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न ने अनाकार/कांचयुक्त बर्फ की उपस्थिति की पुष्टि की। 1984 में, डबोचेट के समूह ने संरचनात्मक जीव विज्ञान में क्रायो-ईएम की शक्ति का प्रदर्शन कांच में रूपांतर एडेनोवाइरिडे टाइप 2, टी 4 बैक्टीरियोफेज, सेमलिकी वन विषाणु, बैक्टीरियोफेज सीबीके और वेसिकुलर-स्टोमाटाइटिस-वायरस के विश्लेषण के साथ किया।

2017 रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार
"व्याख्या में जैव-अणुओं के उच्च-विश्लेषण संरचना निर्धारण के लिए क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी विकसित करने के लिए" क्रायो-ईएम के जैव रसायन पर पड़ने वाले प्रभाव की मान्यता में, तीन वैज्ञानिकों, जैक्स डबोचेट, जोआचिम फ्रैंक और रिचर्ड हेंडरसन को रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी के लिए संभावित प्रतिद्वंद्वी
परंपरागत रूप से, जैविक अणुओं की 3डी संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी सबसे लोकप्रिय प्रणाली रही है। चूंकि, क्रायो-ईएम में उपरोक्त सुधारों ने जैविक अणुओं के विवरण की जांच के लिए उपकरण के रूप में इसकी लोकप्रियता में वृद्धि की है। तुलना के रूप में, एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी का उपयोग 169,077 जैविक अणुओं (30 सितंबर, 2022 तक) की 3डी संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए किया गया है, जबकि क्रायो-ईएम का उपयोग 12,647 पर कम जैविक अणुओं को निर्धारित करने के लिए किया गया है।

चूंकि, नेचर (जर्नल) के अनुसार, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए अनुवेदक अधिकांशतः डायरेक्ट डिटेक्शन डिवाइस या डीडीडी के रूप में संदर्भित) के लिए अनुवेदकों में प्रगति और एसपीटी लैबटेक द्वारा नमूना उत्पादन का स्वचालन जैविक क्षेत्रों में उपयोग में वृद्धि हुई है, क्रायो-ईएम को संभावित प्रतिद्वंद्वी बनाना।

एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी का विश्लेषण क्रिस्टल शुद्धता द्वारा सीमित है, और जैविक अणुओं को क्रिस्टलीय अवस्था में ले जाने में बहुत समय लग सकता है, जिसमें महीनों या वर्षों तक का समय लग सकता है। चूंकि क्रायो-ईएम के लिए नमूना तैयार करना अभी भी श्रमसाध्य है,  इसमें ये मुद्दे नहीं हैं क्योंकि इसमें क्रिस्टल बनाने के लिए नमूने की आवश्यकता नहीं होती है, बल्कि क्रायो-ईएम के नमूने फ्लैश-फ्रोजन होते हैं और उनके निकट-देशी राज्यों में जांच की जाती है। रेफरी नाम = :2 >

प्रोटिओपेडिया के अनुसार, प्रोटीन डाटा बैंक पर एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी (19 मई, 2019 तक) द्वारा प्राप्त औसत विश्लेषण 2.05 Å है, और रिकॉर्ड पर प्राप्त उच्चतम विश्लेषण (30 सितंबर, 2022 तक) 0.48 ए है। 2020 तक, क्रायो-ईएम द्वारा निर्धारित अधिकांश प्रोटीन संरचनाएं 3–4 Å के कम विश्लेषण पर हैं। चूंकि, 2020 तक, सबसे अच्छा क्रायो-ईएम विश्लेषण 1.22 Å पर अंकित किया गया है, कुछ स्थितियोंं में यह विश्लेषण में एक प्रतियोगी बन गया है।

सहसंबंधी प्रकाश क्रायो-टीईएम और क्रायो-ईटी
2019 में, सहसंबंधी प्रकाश-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी क्रायो-टीईएम और क्रायो-ईटी का उपयोग न्यूरोनल कोशिकाओं में टनलिंग नैनोट्यूब (टीएनटी) का निरीक्षण करने के लिए किया गया था।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन क्रायोमाइक्रोस्कोपी
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन क्रायोमाइक्रोस्कोपी (क्रायो ईएम) स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी प्रणाली है जिसमें क्रायोजेनिक कक्ष में स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप कोल्ड स्टेज होता है।

यह भी देखें

 * क्रायोफिक्सेशन
 * इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी (ईटी)