DE102006022047A1

DE102006022047A1 - Neutronenmikroskopie

Info

Publication number: DE102006022047A1
Application number: DE200610022047
Authority: DE
Inventors: Bengt Noelting
Original assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Current assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Auflösung der Strukturen von Biomolekülen und auch nichtbiologischen Proben mittels Neutronenmikroskopie. Erfindungsgemäß (a) verwendet das Mikroskop einen Stapel von Linsen aus festem Deuterium, (b) sind diese Deuteriumlinsen eingekapselt (u. a. zwecks Verbesserung der Oberflächengüte) und (c) werden diese Deuteriumlinsen bei erhöhtem Druck betrieben (zwecks Erhöhung der Sublimationstemperatur des Deuteriums und somit Vereinfachung der Kühlung). Bei biologischen Proben erfolgt vorzugsweise ein vorheriger Isotopenaustausch zwecks Verringerung der Strahlenschäden bei der Mikroskopie. Die Erfindung eignet sich z. B. zur Aufklärung der Strukturen von Proteinen, proteinhaltigen Komplexen und Zellorganellen, bei denen nuklear-magnetische Resonanz und Röntgenkristallstrukturanalyse keine befriedigenden Ergebnisse erzielen (z. B. aus Gründen einer zu hohen Größe bzw. schlechten Kristallisierbarkeit).

Description

Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Technologien zur relativ schnellen und sicheren strukturellen Auflösung von Biomolekülen, biologischen Strukturen und auch nichtbiologischen Strukturen, bei denen herkömmliche Methoden (z.B. nuklear-magnetische Resonanz (NMR), Röntgenkristallstrukturanalyse (RKSA), Elektronenmikroskopie (EM)) oft versagen und dadurch ein relativ hohes Forschungsrisiko oder zumindest einen unerwünschten Zeitaufwand verursachen.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die strukturelle Hochauflösung von Biomolekülen und Biomolekülkomplexen bis hin zu ganzen Zellorganellen ist trotz erheblicher Fortschritte in der nuklear-magnetischen Resonanz, Röntgenkristallstrukturanalyse und Elektronenmikroskopie oft immer noch mit unbefriedigenden Ergebnissen verbunden. Z.B. lassen sich viele interessante Membranproteine aufgrund ihrer Größe nicht mittels NMR auflösen und sind schlecht kristallisierbar oder nur mit hohen Kosten in für die NMR oder RKSA ausreichender Menge herstellbar. Elektronenmikroskopie und andere herkömmliche Methoden der Mikroskopie erzielen bisher i.a. nicht das für eine atomare Auflösung eines einzelnen Biomoleküls erforderliche Leistungsvermögen. Das liegt v.a. am ungünstigen Verhältnis zwischen elastischer und unelastischer Streuung: Bei den verwendeten Wellen (z.B. Licht oder Elektronen) ist das Biomolekül i.a. durch Strahlenschäden zerstört, bevor die zur Erzeugung eines befriedigenden Abbildes erforderliche Belichtung erreicht ist. Schon im Jahr 1996 nannte Richard Henderson als theoretisch mögliche Lösung dieses Problems die Verwendung eines Neutronenmikroskops bei vorherigem Austausch der Atome des Biomoleküls gegen weitgehend neutronenschadenresistente Isotope (Henderson R (1996) Vorlesung "Resolution limits of microscopes", Laboratory of Molecular Biology, Cambridge). Allerdings schien damals die praktische Realisierung unmöglich. Z.B. sind Neutronenstrahlen aufgrund ihrer relativ geringen Wechselwirkung mit den üblichen Materialien für Neutronenoptik schwer zu bündeln und es werden an die Oberflächengüte der Neutronenoptik sehr hohe Anforderungen gestellt, wenn eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden soll.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß beinhaltet das Neutronenmikroskop einen Stapel Linsen aus festem Deuterium, die zwecks Verbesserung der Oberflächengüte eingekapselt sind und zwecks Erhöhung der zulässigen Temperatur unter Druck stehen (z.B. mittels einer weiteren äußeren Verkapselung). Da festes Deuterium eine sehr gute Wechselwirkung mit Neutronen geeigneter Energie hat, sind die Linsen relativ effektiv bei der notwendigen Fokussierung des Neutronenstrahls. Die Verwendung eines Stapels von Linsen bewirkt eine weitgehende gegenseitige Kompensation von Oberflächenungenauigkeiten, die durch die Verwendung einer sehr genau gefertigten Verkapselung ohnehin gering gehalten werden. Die Linsen können z.B. hergestellt werden, indem flüssiges Deuterium in die vorgekühlte Verkapselung eingefüllt wird und die Linsen dann langsam abgekühlt werden. Um den technischen Aufwand für die Kühlung zu verringern, stehen die Linsen unter Druck. Z.B. bei ca. 16 Bar anstelle Atmosphärendruck wird das Limit der Betriebstemperatur von ca. 18 K auf ca. 37 K angehoben. Zwecks Reduktion von Abbildungsfehlern (z.B. chromatischer Aberration) können Linsen aus anderen Materialien zusätzlich eingesetzt werden. Zur Vermeidung sphärischer Aberration sind asphärische Linsen vorzuziehen.
Stapel von Deuteriumlinsen eignen sich auch zur Fokussierung von Neutronenstrahlen für andere Zwecke und damit zur Verringerung der Meßdauer und Kosten.
Ausführungsbeispiel
Mikroskopie gemäß 1: Der Strahl (2) der Neutronenquelle (1) (z.B. kompakter Kernreaktor oder sekundäre Strahlungsquelle) wird durch einen Stapel von Deuteriumlinsen (5) auf die Probe (7) fokussiert. Ein zweiter Stapel von Deuteriumlinsen (6) erzeugt auf dem ortsauflösenden Neutronendetektor (8) ein Abbild der Probe (7). Die Linsen aus eingekapseltem festem Deuterium (5, 6) befinden sich in gekühlten Druckbehältern (3, 4).
Zur Messung der Grobstruktur eines Komplexes von Eiweißmolekülen mit 1000 kDa Gesamtgewicht sind in sehr grober Näherung 10⁹ Neutronen auf einer Fläche von ca. 10^–12 cm² erforderlich. Die Messung sollte bei einem ausgereiften kommerziellen Design an einer kompakten Strahlquelle mit einem Fluß von über 10¹³ Neutronen/Sekunde innerhalb weniger Minuten möglich sein und somit bei guter Auslastung des Gerätes mit einer Vielzahl von Proben mit Kosten unter 1000 Euro verbunden sein, verglichen mit oft über 20.000 Euro für eine elektronenmikroskopische Untersuchung an einem 2D-Kristall eines neuen Membranproteinkomplexes.
1: Beispiel für eine Variante des Neutronenmikroskops mit Deuteriumlinsen. 1: Neutronenquelle (kompakter Kernreaktor oder sekundäre Quelle); 2: Neutronenstrahl; 3, 4: Druckbehälter; 5, 6: gekühlte, eingekapselte Deuteriumlinsen; 7: Probe; 8: Detektor.

Claims

Geräte und Verfahren zur strukturellen Auslösung von biologischen oder nichtbiologischen Proben, dadurch gekennzeichnet, daß – Linsen in einem Neutronenmikroskop aus festem Deuterium bestehen, – die Form der Deuteriumlinsen durch eine Ummantelung erzeugt wird, – die Deuteriumlinsen bei erhöhtem Druck betrieben werden.
Geräte und Verfahren zur strukturellen Auslösung von biologischen oder nichtbiologischen Proben, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Probe isotopenausgetauscht wird zwecks Verringerung der Strahlungsschäden durch Neutronen im Neutronenmikroskop.
Geräte und Verfahren zur strukturellen Auslösung von biologischen oder nichtbiologischen Proben, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – anstelle von Deuterium ein anderer Stoff verwendet wird, der unter Standardbedingungen gasförmig wäre.