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Um microscópio incrível vê átomos com precisão padrão

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Esta imagem mostra uma reconstrução telegráfica de elétrons de um cristal ortodôntico praseodímio (PrScO3), ampliado 100 milhões de vezes. Crédito: Cornell University

Em 2018, os pesquisadores da Cornell construíram um detector de alta potência, em combinação com um processo baseado em algoritmo chamado pticografia. Recorde mundial Pelo triplo da resolução de um microscópio eletrônico avançado.

Por mais bem-sucedida que fosse, essa abordagem tinha um ponto fraco. Trabalhei apenas com amostras ultrafinas com alguns átomos de espessura. Qualquer coisa mais espessa faria com que os elétrons se dispersassem de maneiras inseparáveis.

Agora, uma equipe, liderada por David Mueller, professor de engenharia da Samuel B. Eckert, superou seu registro de fator multiplicador com o Detector de Matriz de Pixel de Microscopia Eletrônica (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrução 3D mais avançados.

A precisão é ajustada com precisão, e a única distorção remanescente é a vibração térmica dos próprios átomos.

O artigo de pesquisa do grupo, “Limites de resolução atômica Achiives de Ptychography Electron Identified by Retinal Vibrations”, foi publicado em 20 de maio na Science. O autor principal do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Zhen Chen.

“Isso não apenas estabeleceu um novo recorde”, disse Mueller. Ele chegou a um sistema que seria realmente o fim final da solução. Basicamente, agora podemos ver onde estão os átomos de uma maneira muito fácil. Isso abre muitas novas possibilidades de dimensionamento para as coisas que desejamos fazer há muito tempo. Também resolve um problema antigo – desfazendo a dispersão múltipla do feixe na amostra, que Hans House implantou em 1928 – que nos impedia de fazer isso no passado. “

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Ptychography funciona digitalizando padrões de dispersão sobrepostos de uma amostra de material e procurando por mudanças na região de sobreposição.

“Estamos procurando por padrões de pontos muito semelhantes aos padrões de ponteiros de laser que os gatos são igualmente fascinados”, disse Mueller. “Ao ver como o padrão muda, podemos calcular a forma do objeto que causou o padrão.”

O detector está ligeiramente desfocado, Desfocar o raio, Para obter a maior gama de dados possível. Esses dados são então reconstruídos por meio de algoritmos complexos, resultando em uma imagem de super-resolução com resolução de um micrômetro (um trilionésimo de metro).

“Usando esses novos algoritmos, agora podemos corrigir todo o desfoque do nosso microscópio até o ponto em que o maior fator de camuflagem que temos é o fato de que os próprios átomos oscilam, porque é isso que acontece com os átomos em uma temperatura finita”, disse Mueller. a velocidade média de quanto os átomos vibram. “

Os pesquisadores poderiam bater seu recorde novamente usando uma substância composta de átomos mais pesados ​​com menos flutuação ou resfriando a amostra. Mas mesmo na temperatura zero, os átomos ainda experimentam flutuações quânticas, então a melhoria não seria muito grande.

Esta nova forma de imagem modular de elétrons permitirá que os cientistas localizem átomos individuais em todas as três dimensões quando eles podem ser ocultados usando outros métodos de imagem. Os pesquisadores também serão capazes de encontrar átomos de impureza em configurações incomuns e fotografá-los com suas vibrações, um por um. Isso pode ser particularmente útil para semicondutores de imagem, catalisadores e materiais quânticos – incluindo aqueles usados ​​em Estatística Quantitativa E também para a análise de átomos em limites onde as substâncias estão ligadas.

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O método de imagem também pode ser aplicado a células, tecidos biológicos espessos ou mesmo conexões sinápticas no cérebro – que Mueller chama de “conexões sob demanda”.

Embora esse método seja demorado e exigente do ponto de vista computacional, ele pode se tornar mais eficiente usando computadores mais poderosos em conjunto com aprendizado de máquina e dispositivos de detecção mais rápidos.

“Queremos aplicar isso a tudo o que fazemos”, disse Mueller, que co-dirige o Kavli Institute em Cornell for Nanoscale Science e co-preside a Micro Systems Science and Engineering Task Force (NEXT Nano), que faz parte do Radical de Cornell Iniciativa de colaboração. . “Até agora, todos nós usamos óculos muito ruins. E agora já temos um par muito bom. Por que você não quer tirar os óculos antigos, usar os novos e usá-los o tempo todo?”

A referência: “A escrita eletrônica do elétron atinge os limites de precisão atômica estabelecidos pelas vibrações da rede” por Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom e David A. Mall, 21 de maio de 2021, Ciência.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Entre os co-autores está Daryl Shlom, Professor de Química Industrial na Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, PhD. 18 ‘Ele agora é um cientista de dados de linha de raio no Argonne National Laboratory; Pesquisadores de pós-doutorado Yu-Tsun Shao e Megan Holtz, Ph.D. ’17; E pesquisadores do Instituto Paul Scherrer e do Instituto Leibniz para o Crescimento de Cristais.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation por meio da Plataforma de Percepção, Análise e Descoberta Acelerada Cornell para Materiais de Interface (PARADIM). Os pesquisadores também se beneficiaram do Cornell Materials Research Center, que é apoiado pelo Center for Materials, Science, and Engineering Research Program da National Science Foundation.

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Cientistas descobriram uma chave para desvendar o mistério das doenças cerebrais degenerativas, como a doença de Alzheimer

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Cientistas descobriram uma chave para desvendar o mistério das doenças cerebrais degenerativas, como a doença de Alzheimer

O desenvolvimento do NeuM, uma nova tecnologia de marcação neuronal, representa um grande passo em frente na luta contra as doenças neurodegenerativas. Ao permitir a marcação seletiva e imagens de alta resolução das membranas neuronais, o NeuM facilita o estudo detalhado das estruturas neuronais e suas alterações ao longo do tempo. Esta tecnologia promete ser um trunfo vital na compreensão e desenvolvimento de tratamentos para doenças como a doença de Alzheimer, oferecendo esperança para avanços na investigação e tratamento de doenças neurodegenerativas. Crédito: SciTechDaily.com

Os cientistas desenvolveram o NeuM, uma técnica de marcação neuronal que permite o monitoramento detalhado da estrutura neuronal. Monitoramento bem sucedido de alterações neurológicas por até 72 horas.

doença de Alzheimer A doença de Parkinson, a doença de Parkinson e o acidente vascular cerebral são a principal tríade de doenças neurodegenerativas. Esses distúrbios são caracterizados pela disfunção e deterioração progressiva das células nervosas, neurônios. Para compreender os mecanismos subjacentes a estas condições neurológicas e formular tratamentos, é essencial ter técnicas de rotulagem que permitam a visualização de alterações neuronais em condições saudáveis ​​e patológicas.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Kim Yeon-kyung do Brain Science Institute do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (Kist, em colaboração com a equipe do professor Zhang Yong-tai da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, anunciou o desenvolvimento de uma tecnologia de rotulagem neuronal de próxima geração chamada NeuM. NeuM (membranas neuronais seletivas) rotula seletivamente as membranas neuronais, visualizando estruturas neuronais e permitindo o monitoramento em tempo real das alterações neuronais.

Pesquisadores da equipe do Dr. Kim Yun-kyung no KIST

Pesquisadores da equipe do Dr. Kim Yun-kyung no KIST estão usando a tecnologia de rotulagem neuronal de próxima geração, NeuM, para visualizar neurônios em tempo real e examinar imagens de alta resolução. Crédito: Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia

Os neurônios modificam continuamente sua estrutura e função para transmitir informações dos órgãos sensoriais ao cérebro e organizar pensamentos, memórias e comportamentos. Portanto, para superar as doenças neurodegenerativas, é necessário desenvolver técnicas que rotulem seletivamente os neurônios vivos para monitoramento em tempo real. No entanto, as atuais técnicas de marcação baseadas em genes e anticorpos, que são comumente usadas para monitorar neurônios, sofrem declínio Precisão O rastreamento a longo prazo é difícil devido à sua dependência da expressão genética ou de proteínas específicas.

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Vantagens e capacidades do NeuM

NeuM, desenvolvido pela equipe de pesquisa por meio do design molecular de neurônios, tem excelente afinidade com membranas neuronais, permitindo rastreamento de longo prazo e imagens de alta resolução de neurônios. Sensores fluorescentes dentro do NeuM se ligam a membranas neuronais usando atividade de células vivas e emitem sinais fluorescentes após excitação por comprimentos de onda específicos de luz. Esta visualização das membranas celulares neuronais permite a observação detalhada das estruturas dos terminais nervosos e o monitoramento de alta resolução da diferenciação e interações neuronais.

Design molecular para marcação seletiva de membranas neuronais

Design molecular para marcação seletiva de membranas neuronais. Crédito: Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia

NeuM, como a primeira tecnologia a corar membranas celulares através de endocitose em neurônios vivos, mostra reatividade seletiva em relação a células vivas, excluindo células mortas sem internalização. Além disso, a equipa de investigação conseguiu alargar o tempo de monitorização dos neurónios de apenas 6 horas para 72 horas, permitindo que mudanças dinâmicas em neurónios vivos fossem capturadas durante um período prolongado em resposta a mudanças ambientais.

Espera-se que o NeuM forneça informações sobre pesquisa e desenvolvimento de tratamentos para doenças neurodegenerativas, para as quais atualmente não há cura. Estas doenças, incluindo a doença de Alzheimer, resultam de danos nas células nervosas devido à produção de proteínas tóxicas, como a amilóide, e ao influxo de substâncias inflamatórias. O monitoramento atento do NeuM quanto a alterações neurológicas pode efetivamente facilitar a avaliação de compostos terapêuticos candidatos.

“O NeuM, que foi desenvolvido desta vez, pode distinguir entre envelhecimento e degeneração de neurônios, tornando-se uma ferramenta crucial na elucidação dos mecanismos de distúrbios cerebrais degenerativos e no desenvolvimento de tratamentos”, disse o Dr. Ele também acrescentou: “No futuro, planejamos melhorar o NeuM para uma análise mais precisa dos neurônios, projetando comprimentos de onda fluorescentes para distinguir cores como verde e vermelho”.

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Referência: “NeuM: uma sonda seletiva de neurônios incorporada em membranas neuronais vivas por meio de endocitose aprimorada mediada por clatrina em neurônios primários” por Yoonsik Song, Lizaveta Gotina, Kyu-Hyun Kim, Jung-Yul Lee, Solji Shin, Hira Aziz, Dong- Min Kang, Xiao 7 de dezembro de 2023, 7 de dezembro de 2023 Angewandte Chemie Edição Internacional.
doi: 10.1002/anie.202312942

Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério da Ciência e TIC (Ministro Lee Jung-ho) por meio dos Principais Projetos KIST e do Projeto Superando a Demência (RS-2023-00261784).

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SpaceX lança 23 satélites Starlink da Flórida (fotos)

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SpaceX lança 23 satélites Starlink da Flórida (fotos)

A SpaceX enviou outro lote de seus satélites de internet Starlink aos céus hoje (23 de abril).

Um foguete Falcon 9 transportando 23 espaçonaves Starlink decolou da Estação da Força Espacial de Cabo Canaveral, na Flórida, hoje às 18h17 EDT (2217 GMT).

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Pode haver uma lua extra orbitando a Terra, e os cientistas acham que sabem exatamente de onde ela veio

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