माइक्रोक्रिस्टल इलेक्ट्रॉन विवर्तन

सूक्षमस्फटिक इलेक्ट्रॉन (अतिसूक्ष्म परमाणु) विवर्तन, या सूक्ष्मईडी, एक परिशीतन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी विधि है जिसे 2013 के अंत में हावर्ड ह्यूजेस चिकित्सा संस्थान के जेनेलिया अनुसंधान शिविर में गोनन प्रयोगशाला द्वारा विकसित किया गया था। सूक्ष्मईडी इलेक्ट्रॉन स्फटिकी का एक रूप है जहां इलेक्ट्रॉन विवर्तन द्वारा संरचना निर्धारण के लिए पतले 3डी स्फटिक का उपयोग किया जाता है। इस प्रदर्शन से पहले, बृहदाण्विक (प्रोटीन) इलेक्ट्रॉन स्फटिकी का उपयोग केवल 2डी स्फटिक पर किया जाता था।

विधि को नैनोस्फटिक से प्रोटीन संरचना के लिए विकसित किया गया था जो सामान्यतः उनके आकार के कारण एक्स-रे विवर्तन के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं। एक्स-रे स्फटिकी के लिए आवश्यक आकार के एक अरबवें हिस्से के स्फटिक उच्च गुणवत्ता वाले आंकड़े प्राप्त कर सकते हैं। प्रतिरूप अन्य सभी क्रायोईएम तौर-तरीकों के लिए जलयोजित हैं, लेकिन प्रतिबिंबन वृत्ति में पारेषण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी (पारेषण इलेक्ट्रॉन क्रायोसूक्ष्मदर्शिकी) का उपयोग करने के स्थान पर एक अत्यंत कम इलेक्ट्रॉन जोखिम (सामान्यतः < 0.01 e−/Å2/s) के साथ विवर्तन वृत्ति में इसका उपयोग करता है। नैनो स्फटिक विवर्तक किरण के संपर्क में आता है और लगातार घूमता रहता है जबकि चलचित्र के रूप में एक तीव्र कैमरे पर विवर्तन एकत्र किया जाता है। संरचना विश्लेषण और शोधन के लिए विशेष सॉफ़्टवेयर की आवश्यकता के बिना एक्स - रे स्फटिकी के लिए पारंपरिक सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके सूक्ष्मएड आंकड़ों को संसाधित किया जाता है। महत्वपूर्ण रूप से, सूक्ष्मएड प्रयोग में उपयोग किए जाने वाले हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर दोनों मानक और स्थूलतः उपलब्ध हैं।

विकास
सूक्ष्मएड का पहला सफल प्रदर्शन 2013 में तामीर गोनन प्रयोगशाला द्वारा प्रतिवेदन किया गया था। लाइसोजाइम का स्वरूप, एक्स-रे स्फटिकी में एक उत्कृष्ट परीक्षण प्रोटीन है। यह पहली बार था कि इलेक्ट्रॉन विवर्तन का उपयोग करके 3डी स्फटिक से प्रोटीन संरचना निर्धारित की गई थी। अब्राहम समूह ने स्वतंत्र रूप से लाइसोजाइम स्फटिक पर मेडिपिक्स परिमाण क्षेत्रफल संसूचक का उपयोग करके क्रमावर्तन इलेक्ट्रॉन विवर्तन आंकड़े संग्रह एकत्र करने की सूचना दी लेकिन संरचना को हल करने में असमर्थ थे।

प्रायोगिक व्यवस्थापन
इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी की स्थापना और आंकड़े संग्रह के लिए विस्तृत विज्ञप्ति प्रकाशित किए गए हैं।

सूक्ष्मदर्शी
पारेषण इलेक्ट्रॉन (परिशीतन) सूक्ष्मदर्शिकी का उपयोग करके सूक्ष्मईडी आंकड़े एकत्र किया जाता है। सूक्ष्मदर्शी को एक चयनित क्षेत्र द्वारक से सुसज्जित किया जा सकता है लेकिन सूक्ष्मएड को चयनित क्षेत्र द्वारक के बिना भी किया जा सकता है। जबकि कुछ संरचनाओं को हिमीकरण के बिना सूचित किया गया है, विकिरण क्षति को बहुत कम किया गया है और छोटे अणुओं के लिए भी क्रायो शीतलन का उपयोग करके उच्च विश्लेषण प्राप्त किया गया है।

संसूचक
सूक्ष्मईडी प्रयोगों में इलेक्ट्रॉन विवर्तन आंकड़े एकत्र करने के लिए विभिन्न प्रकार के संसूचकों का उपयोग किया गया है। आवेश युग्मित युक्ति (सीसीडी) और पूरक धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक (सीएमओएस) तकनीक का उपयोग करने वाले संसूचकों का उपयोग किया गया है। सीएमओएस संसूचकों के साथ, अलग-अलग इलेक्ट्रॉन गणनाओं की व्याख्या की जा सकती है। हाल ही में, रैखिक और गिनती वृत्ति दोनों में प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन संसूचकों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। इन उदाहरणों में इलेक्ट्रॉन की गणना ने प्रोटीन में हाइड्रोजन के प्रारंभिक चरणबद्धता और मानसिक चित्रण की अनुमति दी।

अभी भी विसरण
सूक्ष्मईडी पर अवधारणा प्रकाशन का प्रारंभिक प्रमाण लाइसोजाइम स्फटिक का उपयोग करता है। प्रधार के बीच असतत 1 डिग्री चरणों के साथ, एकल नैनो स्फटिक से 90 डिग्री तक आंकड़े एकत्र किया गया था। प्रत्येक विवर्तन प्रतिरूप को ∼0.01 e−/Å2/s की अति-निम्न खुराक दर के साथ एकत्र किया गया था। 3 स्फटिक से आंकड़ा विलय किया गया था अच्छे शोधन आँकड़ों के साथ 2.9Å विश्लेषण संरचना प्राप्त करने के लिए, और पहली बार प्रतिनिधित्व किया परिशीतन स्थितियों में 3डी सूक्षमस्फटिक से खुराक के प्रति संवेदनशील प्रोटीन की संरचना का निर्धारण करने के लिए इलेक्ट्रॉन विवर्तन का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था।

निरंतर चरण क्रमावर्तन
आंकड़े संग्रह योजना के दौरान निरंतर क्रमावर्तन लागू करके घटक पत्र के प्रमाण के तुरंत बाद सूक्ष्मईडी में सुधार किया गया था। यहां स्फटिक को धीरे-धीरे एक ही दिशा में घुमाया जाता है जबकि विवर्तन को तीव्र कैमरे पर चलचित्र के रूप में अभिलेखबद्ध किया जाता है। कार्यप्रणाली एक्स-रे स्फटिकी में क्रमावर्तन विधि की तरह है। इससे आंकड़े गुणवत्ता में कई सुधार हुए और मानक एक्स-रे क्रिस्टलिकी सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके आंकड़े प्रसंस्करण की अनुमति मिली। निरंतर क्रमावर्तन के लाभों में सूक्ष्मईडी में गतिशील प्रकीर्णन में कमी और पारस्परिक स्थान का बेहतर प्रतिचयन सम्मिलित है। 2014 से निरंतर-क्रमावर्तन सूक्ष्मईडी आंकड़े संग्रह का मानक तरीका है।

आंकड़ा संसाधन
सूक्ष्मईडी आंकड़ा संसाधन के लिए विस्तृत विज्ञप्ति प्रकाशित किए गए हैं। जब निरंतर चरण क्रमावर्तन का उपयोग करके सूक्ष्मईडी आंकड़े एकत्र किया जाता है, तो मानक :श्रेणी: स्फटिकी सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जा सकता है।

सूक्ष्मईडी और अन्य इलेक्ट्रॉन विवर्तन विधियों के बीच अंतर
अकार्बनिक लवण जैसे विकिरण असंवेदनशील सामग्री के भौतिक विज्ञान के लिए विकसित अन्य इलेक्ट्रॉन विवर्तन विधियों में स्वचालित विवर्तन टोमोग्राफी (ADT) और क्रमावर्तन इलेक्ट्रॉन विवर्तन (लाल ) सम्मिलित हैं। ये विधियां सूक्ष्मईडी से काफी भिन्न हैं: एडीटी में कोणमापी झुकाव के असतत चरणों का उपयोग अंतराल को भरने के लिए किरण पुरस्सरण के संयोजन में पारस्परिक स्थान को आच्छादित करने के लिए किया जाता है। ADT स्फटिक अनुसरण के लिए अग्रगमन और  ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी रेखाचित्रण के लिए विशेष हार्डवेयर का उपयोग करता है। आरईडी टीईएम में किया जाता है लेकिन कोणमापी असतत चरणों में स्थूलतः झुका हुआ होता है और अंतराल को भरने के लिए किरणपुंज अभिनमन का उपयोग किया जाता है। ADT और RED आंकड़े को संसाधित करने के लिए विशेष सॉफ़्टवेयर का उपयोग किया जाता है। महत्वपूर्ण रूप से, ADT और RED को विकिरण असंवेदनशील अकार्बनिक सामग्री और लवणों पर विकसित और परीक्षण किया गया था और जमे हुए जलयोजित अवस्था में अध्ययन किए गए प्रोटीन या विकिरण संवेदनशील कार्बनिक पदार्थों के साथ उपयोग के लिए प्रदर्शित नहीं किया गया है।

प्रणाली विस्तार
बड़े गोलाकार प्रोटीन की संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए सूक्ष्मईडी का उपयोग किया गया है, छोटे प्रोटीन, पेप्टाइड, झिल्ली प्रोटीन, कार्बनिक अणु, और अकार्बनिक यौगिक। इनमें से कई उदाहरणों में हाइड्रोजन और आवेशित आयन देखे गए।

पार्किंसंस रोग के α-सिन्यूक्लिन की नवीन संरचना
सूक्ष्मईडी द्वारा हल की गई पहली उपन्यास संरचनाएं 2015 के अंत में प्रकाशित हुई थीं। ये संरचनाएं पेप्टाइड अंशों की थीं जो पार्किंसंस रोग के लिए उत्तरदायी प्रोटीन α-सिंक्युलिन के विषाक्त अंतर्भाग का निर्माण करती हैं और एकत्रीकरण तंत्र विषाक्त समुच्चय में अंतर्दृष्टि का नेतृत्व करती हैं। संरचनाओं को 1.4 Å विश्लेषण पर हल किया गया था।

R2lox की नई प्रोटीन संरचना
सूक्ष्मईडी द्वारा हल की गई प्रोटीन की पहली उपन्यास संरचना 2019 में प्रकाशित हुई थी। प्रोटीन सल्फ़ोलोबस एसिडोकैल्डेरियस से धातुएन्ज़ाइम आर2-प्रकार संलग्नी-बाध्यकारी ऑक्सीडेज (आर2लोक्स) है। ज्ञात संरचना के साथ निकटतम होमोलॉग से निर्मित 35% अनुक्रम पहचान के प्रतिरूप का उपयोग करके आणविक प्रतिस्थापन द्वारा संरचना को 3.0 Å विश्लेषण पर हल किया गया था। इस काम ने प्रदर्शित किया कि प्रोटीन की अज्ञात संरचना प्राप्त करने के लिए सूक्ष्मईडी का उपयोग किया जा सकता है।

सूक्ष्मईडी शिक्षा और सेवाओं तक पहुंच
सूक्ष्मईडी के बारे में अधिक जानने के लिए, कोई वार्षिक सूक्ष्मईडी यूसीएलए में प्रतिबिंबन केंद्र पाठ्यक्रम या में भाग ले सकता है। परिशीतन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी विधियों से संबंधित आगामी बैठकों और कार्यशालाओं के बारे में अधिक जानकारी के लिए, कृपया 3DEM बैठकें और कार्यशालाएं पृष्ठ देखें।

कई विश्वविद्यालय और कंपनियां सूक्ष्मईडी सेवाएं प्रदान करती हैं, जिनमें एमईडीआईसी - यूसीएलए में सूक्षमस्फटिक इलेक्ट्रॉन विवर्तन प्रतिबिंबन केंद्र और नैनोप्रतिबिंबन सेवाएं सम्मिलित हैं ।

कई इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी प्रणाली सूक्ष्मएड आंकड़े अभिलेखबद्ध करने में सक्षम हैं जिनमें जेईओएल और थर्मो फिशर/एफईआई द्वारा विकसित आंकड़े सम्मिलित हैं।

अग्रिम पठन

 * Background on MicroED from ThermoFisher Scientific, a major producer of transmission electron microscopes
 * Video interview about the development of MicroED and its applications
 * The Janelia Archives background on MicroED
 * Background and publications on MicroED from the Gonen Laboratory