Descripción del proyecto
Microscopia electrónica para la obtención de imágenes de STEM en 4D para biología estructural
La microscopia electrónica (ME) ha revolucionado las ciencias físicas y biológicas. La crio-ME permite determinar estructuras 3D de proteínas con una resolución de hasta 1,0 Å. Sin embargo, un contraste insuficiente impide determinar las estructuras de moléculas implicadas en enfermedades. La ME tiene un contraste óptimo para los átomos de luz, alcanzando una resolución más que notable de 0,2 Å, al transformar la microscopia electrónica de transmisión y barrido (STEM, por sus siglas en inglés) de una técnica de obtención de imágenes en 2D a una en 4D, combinando de forma efectiva la imagen con la difracción. El proyecto 4D-BioSTEM, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, tiene por objeto desarrollar metodologías y una herramienta de crio-ME para mejorar el contraste y la resolución de la obtención de imágenes de STEM en 4D de muestras biológicas congeladas. Para ello, se empleará un «hardware» especializado, planteamientos teóricos, simulaciones y algoritmos avanzados de reconstrucción de imágenes. El equipo del proyecto adquirirá datos en 4D dispersos y, después, aplicará técnicas punteras para extraer la máxima señal de datos de crio-STEM en 4D con ruido.
Objetivo
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.
Ámbito científico
Palabras clave
Programa(s)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Régimen de financiación
HORIZON-ERC-SYG - HORIZON ERC Synergy GrantsInstitución de acogida
52428 Julich
Alemania