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Nuovo modello per aiutare a interpretare le immagini molecolari con risoluzione atomica

28 marzo 2022

(Notizie di NanwerkEsistono diversi modi per creare modelli 2D e 3D di atomi e molecole. Con l’avvento dei più recenti dispositivi in ​​grado di visualizzare campioni su scala atomica, gli scienziati hanno scoperto che i modelli molecolari tradizionali non si adattano alle immagini che hanno visto.

I ricercatori hanno escogitato un modo migliore per visualizzare le molecole sulla base di questi metodi tradizionali. I loro modelli si adattano bene ai dati di imaging che hanno ottenuto e sperano che i modelli aiuteranno l’intuizione dei chimici a interpretare le immagini molecolari. Tavola periodica degli elementi con ogni tipo di atomo rappresentato come palline colorate La familiare tavola periodica degli elementi con ogni tipo di atomo appare come palline colorate. La dimensione di ciascun atomo nel modello CPK (sopra) è maggiore di quella del modello Z-linked (sotto), perché dipende dalla distribuzione degli elettroni attorno all’atomo piuttosto che dalla dimensione del nucleo stesso. Questo è importante in un microscopio elettronico in cui la nuvola di elettroni non è visibile. (Foto: Nakamura, Harano et al.)

I risultati sono stati pubblicati in Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d’America (“Numero atomico (Z) – Dimensioni atomiche associate per la decodifica di immagini molecolari al microscopio elettronico”).

Chiunque legga questo probabilmente avrà familiarità con i tradizionali modelli di atomi e molecole a sfera e bastone, dove sfere di dimensioni e colori diversi rappresentano nuclei atomici diversi e i bastoncini rappresentano le proprietà dei legami tra atomi. Sebbene questi siano utili strumenti educativi, sono molto più semplici della realtà che riflettono.

I chimici tendono a utilizzare modelli come il modello Corey-Pauling-Koltun (CPK), che è simile al modello ball-and-stick ma con le palle gonfiate in modo che si sovrappongano. Il modello CPK dice ai chimici di più sul modo in cui i componenti della molecola interagiscono molto meglio rispetto al modello a palla e bastone.

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Negli ultimi anni è finalmente diventato possibile non solo catturare le strutture delle molecole ma anche registrarne il movimento e le interazioni in video grazie a tecniche come la microscopia elettronica a trasmissione a risoluzione atomica (AR-TEM). Questo è talvolta chiamato “scienza molecolare del film”.

Tuttavia, con questo salto nella nostra capacità di visualizzare i modelli invisibili, ball-and-stick o CPK diventa un ostacolo piuttosto che un aiuto. Quando i ricercatori del Dipartimento di Chimica dell’Università di Tokyo hanno tentato di adattare questi modelli alle immagini che stavano guardando, hanno riscontrato alcuni problemi.

Il professor Koji Harano ha dichiarato: “Il modello della palla e del bastone è troppo semplice per descrivere con precisione ciò che sta effettivamente accadendo nelle nostre immagini”. E il modello CPK, che mostra tecnicamente la propagazione della nuvola di elettroni attorno al nucleo di un atomo, è troppo denso per poter distinguere alcuni dettagli. Il motivo è che nessuno di questi modelli mostra le vere dimensioni degli atomi che mostrano le immagini di AR-TEM”.

Nelle immagini AR-TEM, la dimensione di ciascun atomo è direttamente correlata al peso atomico di quell’atomo, noto semplicemente come Z. Quindi il professor Ichi Nakamura e il suo team hanno scelto di modificare il modello della palla e del bastone per adattarlo alle loro immagini, dove ogni nucleo si trova nel modello. La dimensione del modello è stata determinata in base al numero Z del nucleo che rappresentava. , e lo ha chiamato modello molecolare Z-linked (ZC). Hanno mantenuto la stessa combinazione di colori utilizzata nel modello CPK, originariamente introdotto dai chimici americani Robert Curie e Linus Pauling nel 1952.

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Il modello molecolare legato allo Z viene confrontato con i modelli ball-and-stick e CPKنماذج Confronto di modelli. Il modello molecolare legato allo Z dei ricercatori è stato confrontato con i modelli ball-and-stick e CPK. (Foto: Nakamura, Harano et al.)

“Un’immagine vale più di mille parole e puoi confrontare le immagini AR-TEM con la prima immagine in assoluto di un buco nero”, ha detto Nakamura. “Entrambi mostrano la realtà come mai prima, ed entrambi sono molto meno chiari di quanto la gente dovrebbe probabilmente immaginare. Questo è il motivo per cui i modelli sono così importanti, per colmare il divario tra fantasia e realtà. Si spera che il modello molecolare Z-linked aiuterà i chimici ad analizzare il microscopio elettronico immagini Basato sull’intuizione senza bisogno di calcoli teorici, aprendo un nuovo mondo di “scienza molecolare cinematografica”.