Des scientifiques réalisent une percée dans l'alignement laser pour l'imagerie de particules uniques macromoléculaires
Visualisation des structures moléculaires avec un niveau de détail sans précédent
L'imagerie diffractive d'une seule particule (SPI) utilisant des lasers à électrons libres à rayons X permet aux chercheurs de reconstruire la structure des nanoparticules et des biomolécules. Cependant, cette technique nécessite souvent d'imager jusqu'à plusieurs milliards de nanoparticules pour produire l'image, ce qui impose des limites à sa clarté et à sa netteté. Des chercheurs du Centre pour la science des lasers à électrons libres de DESY, en collaboration avec des collègues internationaux, ont récemment démontré qu'il était possible d'obtenir un alignement induit par laser afin d'améliorer de manière significative les techniques d'imagerie moléculaire. Ce confinement géométrique des molécules dans l'expérience d'imagerie par rayons X facilitera grandement la récupération de l'orientation moléculaire et, par conséquent, la récupération de la structure. Il permet ainsi de relever un défi important dans le domaine de l'imagerie diffractive de particules uniques. Ce nouveau développement ouvre la voie à la résolution des structures tridimensionnelles des protéines et d'autres macromolécules à l'aide de l'IPS.
Un laser optique peut être utilisé pour aligner des biomolécules complexes en vue de l'imagerie d'une seule molécule.
DESY-CFEL–CMI, Muhamed Amin
L'alignement induit par laser utilise l'interaction entre la polarisabilité anisotrope de la molécule et le champ électrique d'une impulsion laser. L'impulsion laser induit un moment dipolaire électrique transitoire dans la molécule, qui suit ensuite le champ électrique de l'impulsion laser. Cela oblige les molécules à tourner dans une orientation où l'interaction de la polarisabilité est optimisée, c'est-à-dire à aligner l'axe le plus polarisable de la molécule avec la polarisation du laser, ce qui entraîne l'alignement géométrique des molécules et donc leur fixation dans l'espace.
Dans leurs travaux actuels, les chercheurs ont démontré par calcul que les nanoparticules et les protéines peuvent être fortement alignées à l'aide des technologies laser standard actuelles. En analysant 150 000 protéines de la banque de données internationale sur les protéines (PDB), ils ont montré que la plupart des protéines pouvaient être alignées dans des conditions expérimentales réalistes. Cela améliore leur visibilité dans les expériences de diffraction d'une seule particule. L'équipe a publié ses résultats dans le Journal of the American Chemical Society.
Ces résultats répondent à un problème de longue date dans l'imagerie à particule unique, où les molécules sont généralement capturées dans des orientations aléatoires, ce qui rend difficile la reconstruction en 3D. Les chercheurs prévoient également que le refroidissement des molécules à des températures cryogéniques, une technique que le groupe est en train de mettre en œuvre, améliore le degré d'alignement et réduit également les dommages potentiels causés par les radiations, ce qui permettra d'affiner encore la technique.
Cette percée a des implications importantes pour la biologie structurale et la nanotechnologie, car elle permet aux scientifiques de visualiser les structures moléculaires avec un niveau de détail sans précédent, et pourrait potentiellement révolutionner la découverte de médicaments, la recherche biomoléculaire et la science des matériaux. Les expériences futures se concentreront sur l'intégration de ces techniques laser avec l'imagerie XFEL pour atteindre une résolution inférieure au nanomètre, ce qui rapprochera les chercheurs de la visualisation en temps réel de la dynamique moléculaire.
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