Opis projektu
Obrazowanie 4D-STEM na potrzeby biologii strukturalnej dzięki mikroskopii elektronowej
Mikroskopia elektronowa zrewolucjonizowała zarówno nauki przyrodnicze, jak i fizyczne. Technologia kriogenicznej mikroskopii elektronowej umożliwia badanie trójwymiarowych struktur białek z rozdzielczością nawet 1,0 Å, jednak niedostateczny kontrast utrudnia określenie struktur cząsteczek odpowiedzialnych za występowanie chorób. Mikroskopia elektronowa zapewnia optymalny kontrast w przypadku lekkich atomów, osiągając niezwykłą rozdzielczość 0,2 Å dzięki wykorzystaniu przekształceń obrazów 2D ze skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego w celu uzyskania obrazów 4D, skutecznie łącząc obrazowanie z dyfrakcją. Zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych projektu 4D-BioSTEM ma na celu opracowanie metodologii i narzędzia kriogenicznej mikroskopii elektronowej w celu zwiększenia kontrastu i rozdzielczości w obrazowaniu 4D-STEM zamrożonych próbek biologicznych. W tym celu badacze wykorzystają specjalistyczny sprzęt, teorię, symulację i zaawansowane algorytmy rekonstrukcji obrazu. W ramach projektu badacze pozyskają wyjątkowe dane 4D i zaimplementują zaawansowane techniki wyodrębniania maksymalnego sygnału z zaszumionych danych 4D generowanych przez kriogeniczny skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy.
Cel
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.
Dziedzina nauki
Słowa kluczowe
Program(-y)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Temat(-y)
System finansowania
HORIZON-ERC-SYG - HORIZON ERC Synergy GrantsInstytucja przyjmująca
52428 Julich
Niemcy