Projektbeschreibung
Elektronenmikroskopie für 4D-STEM-Bildgebung in der Strukturbiologie
Die Elektronenmikroskopie hat sowohl die Lebens- als auch die Naturwissenschaften revolutioniert. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht die Bestimmung von 3D-Proteinstrukturen mit einer Auflösung von bis zu 1,0 Å. Der unzureichende Kontrast erschwert jedoch die Bestimmung der Strukturen von Molekülen, die an Krankheiten beteiligt sind. Die Elektronenmikroskopie bietet einen optimalen Kontrast für leichte Atome und erreicht eine bemerkenswerte Auflösung von 0,2 Å, indem es STEM von einem 2D- in ein 4D-Bildgebungsverfahren umwandelt und so Bildgebung und Beugung effektiv kombiniert. Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt 4D-BioSTEM zielt darauf ab, Methoden und ein Kryo-Elektronenmikroskopie-Instrument zu entwickeln, um den Kontrast und die Auflösung bei der 4D-STEM-Bildgebung von gefrorenen biologischen Proben zu verbessern. Dabei kommen spezielle Hardware, Theorie, Simulation und fortschrittliche Bildrekonstruktionsalgorithmen zum Einsatz. Im Rahmen des Projekts sollen spärliche 4D-Daten erfasst und fortgeschrittene Techniken zur Extraktion eines maximalen Signals aus verrauschten 4D-Kryo-STEM-Daten eingesetzt werden.
Ziel
Electron Microscopy (EM) has transformed research in the Life and Physical Sciences separately. Cryo-EM in Life Sciences allows the 3D structure determination of proteins down to 1.0 Å resolution in case they are large enough and present in high numbers in homogeneous states. For many molecules involved in diseases like neurodegeneration, however, structure determination is still severely hampered due to their insufficient contrast when imaged in vitreous ice or in their native cellular environment. To date, EM in the Physical Sciences generated utmost contrast for light atoms and established a resolution in the range of 0.2 Å limited only by thermal motion. This record was achieved by evolving scanning transmission EM (STEM) from a 2D to a 4D imaging technique combining imaging with diffraction. In this project, we will work out 4D-BioSTEM methodologies and develop a cryo-EM tool that maximizes contrast and resolution by bringing together EM groups from Life and Physical Sciences. 4D-STEM imaging of frozen biological specimens will be approached with unique and specialized hardware, theory and simulation, the development of microscope operation routines, and image reconstruction algorithms. In particular, we will acquire sparse 4D data using ultrafast detectors, employ methods for direct phasing (differential phase contrast, DPC) and establish advanced, so-called ptychographic, techniques to gain maximal signal from noisy 4D cryo-STEM data that are limited in their electron dose budget. We will make use of synergies between recently separated fields in order to make proteins smaller than 50 kDa amenable to structure elucidation. Furthermore, we will expand 4D-STEM to tomography, to obtain high-contrast 3D reconstructions from cellular samples, human brain tissue of neurodegenerative diseases, and vitrified organic energy materials. A new comprehensive structural imaging framework will be put forward and benchmarked as to its utility in Life and Physical Science applications of cryo-EM.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
HORIZON-ERC-SYG - HORIZON ERC Synergy GrantsGastgebende Einrichtung
52428 Julich
Deutschland