¿Cómo es que podemos ver los átomos realmente bien, pero no el ADN?

Answer 1

Su primera imagen parece ser un microscopio de exploración de túneles (STM) o una imagen de microscopio de fuerza atómica (AFM) de grafeno. En cualquier caso, estas técnicas requieren mover una punta atómicamente afilada a través de una superficie y detectar la interacción entre los átomos al final de la punta y la superficie atómicamente plana y periódica.

Hay muchas dificultades para aplicar esta técnica al ADN, pero es posible (ver Microscopía de fuerza atómica con nanoescala en voladizos resuelve diferentes conformaciones estructurales del ADN de doble hélice). Primero, las puntas utilizadas en estos experimentos también están hechas de átomos y tienen un radio de curvatura de aproximadamente 10 nm, que es comparable al tamaño del ADN. Si desea ver detalles a nivel atómico, necesita una sonda que también tenga un tamaño atómico, o de lo contrario los detalles atómicos se verán borrosos por las interacciones de muchos átomos a la vez. Además, es difícil preparar muestras, alinear la sonda en la superficie irregular del ADN, etc.

Creo que la segunda imagen, del ADN, proviene de la microscopía electrónica de transmisión (TEM). Consiste básicamente en disparar electrones a través del ADN y detectarlos en el otro lado. El primer problema es que para ver detalles atómicos, es necesario usar electrones de alta energía, que tienden a dañar rápidamente cualquier biomolécula, y el pequeño tamaño de la señal de una sola hebra de ADN requiere una gran cantidad de electrones. Las mejores imágenes de TEM son en realidad secciones transversales de cortes de cristales inorgánicos, donde muchas capas de la porción del cristal contribuyen a la imagen, lo que resulta en menos daño. En segundo lugar, la pequeña señal del ADN debe separarse de lo que contenga el ADN. Esto puede requerir la suspensión del ADN, lo que agrega más complicaciones.

La estructura del ADN se resolvió originalmente con experimentos de difracción, donde se analiza un cristal de ADN para obtener detalles a nivel atómico, pero la imagen directa de moléculas individuales sigue siendo un gran desafío.

Answer 2

La respuesta de Kevin Garrity es excelente, pero me pidieron amablemente una respuesta, así que déjame ver si puedo agregar algo de valor.

Solo para aclarar un punto … aunque es posible que haya encontrado su primera imagen en busca de imágenes de microscopio electrónico, no se realizó utilizando un microscopio electrónico. Garrity explica cómo funcionan los diversos ‘microscopios’ que hacen que estas imágenes funcionen, pero me gustaría sugerir una analogía que podría ayudarlo a ver la razón y por qué el ADN es más difícil de “ver” de esta manera que los átomos de oro.

El AFM y el STM funcionan ejecutando una sonda sobre una superficie de la misma manera que una persona ciega lee los caracteres de Braille.

Observe la similitud con la imagen … cuando los átomos se pueden colocar planos en una ‘página’ como esta (generalmente colocados en la superficie lisa de un cristal), entonces es muy fácil “sentirlos”.

Ahora, intente hacer lo mismo, pase el dedo ligeramente de lado a lado, sobre esto:

¿Ves por qué esto no es realmente adecuado para estos métodos? Y estoy ignorando el hecho de que el ADN quiere enrollarse en formas complejas … para obtenerlo como una hebra, necesitamos “agarrar” los extremos y “estirarlos”.

Eso es lo que están viendo en las imágenes que encontraron. Puedes ver una mejor imagen aquí, pero también puedes ver las limitaciones de la técnica:

Answer 3

En primer lugar, las personas que dicen que estas no son imágenes TEM deberían actualizarse con el estado del campo de microscopía electrónica.

La primera es una imagen STEM-ADF de un TEM corregido de aberración. He visto muchos como estos aquí:

Sí, esa soy yo.

Y ahora a la pregunta. Cuando trabaje con un microscopio electrónico, debe tener en cuenta que está colocando una corriente de nano / micro amperios a través de su muestra, que normalmente es nanométrica, a cientos de miles de voltios.

Esto no es un problema si su muestra puede soportar la radiación y el daño térmico que esto causa, y la mayoría de los materiales inorgánicos pueden.

Sin embargo, el ADN es una molécula orgánica y, con las mismas condiciones de la primera imagen, se quemaría casi instantáneamente. También tiene que suspender el ADN sobre algún soporte, que será al menos tan grueso como su ADN de nanómetro de ancho que le dará problemas de señal a fondo.

Sin embargo, creo que no es imposible, es muy difícil y hay pocos lugares con un TEM que podría hacerlo.

Answer 4

Estás pidiendo dos cosas diferentes.

Podemos ver el ADN, incluso con sus ojos desnudos.

Cómo ver el ADN con el ojo desnudo

El ADN es una molécula, no átomos individuales de un elemento. Es en realidad una macromolécula. Esa imagen que estás viendo es una imagen de ADN. No es una mezcla, es una sola molécula.

Pero note que ahora está comparando dos cosas muy diferentes.

Realmente estás pidiendo que examinemos los átomos en una molécula unida de forma covelante (que ya no sería ADN).

O tal vez quieres ver un nucleótido de ADN.

Answer 5

Porque la vida involucra principalmente a los átomos más abundantes, livianos y, por lo tanto, móviles de la primera fila en la tabla periódica, limitada por el hidrógeno y el oxígeno. Es decir, HCN O. Además de algunos menús desplegables, P debajo de N y S debajo de O.

Los procesos físicos de detección favorecen a los átomos más pesados.

No estás viendo átomos directamente, estás mirando una imagen procesada. El tamaño de un átomo es de 50 a 100 picómetros. La longitud de onda de la luz visible es de 400,000 a 700,000 picómetros. Así que esto ha detenido la microscopía muy por encima de la escala molecular.

Cuando un átomo interactúa con un fotón visible, resuena con un campo eléctrico, como una antena. Esa no es una mala analogía, las ondas de radio pueden tener muchos kilómetros de longitud, pero su frecuencia puede ser detectada por una atenna de solo unos metros de largo o más corta.

Ahora, el radar para distinguir una forma debe tener una longitud de onda más corta que el objeto. Así que para hacer un átomo necesitamos radiografías. Pero ahora la teoría cuántica causa problemas de energía … Muestras de radiografías. Aquí aparte de eso puedes saltarte …

El pequeño tamaño de los átomos se debe a que la energía de la masa está “preconcentrada” en un electrón. La brecha entre los niveles de energía de los electrones es pequeña en comparación con la energía del fotón de rayos X de una longitud de onda de tamaño similar. Otra forma de decir esto es que el electrón representa una entropía mucho menor debido a la reducción de entropía que fue financiada por la ganancia de entropía, ya que se produjo un desacoplamiento de fotones durante la expansión cósmica.

De todos modos, el confinamiento de masa en electrones significa que solo las radiografías energéticas pueden sondear ese volumen. Por lo tanto, debido a la relación entre la energía mecánica cuántica y la frecuencia, los electrones se eliminan de los átomos, y el núcleo debe ser pesado para evitar eliminar átomos enteros.

Otro enfoque es usar electrones como la sonda. Ahora el agua es un problema, la mayoría de los materiales biológicos incorporan agua, pero el uso de un tubo de vacío de electrones elimina el agua. La congelación daña las estructuras también porque el hielo se ha expandido. Y las moléculas libres deben estar ancladas.

La microscopía de fuerza de electrones es responsable de las imágenes más recientes, pero los problemas técnicos son todavía

1. Los moleciles tienen que ser atados de alguna manera.
2. El agua todavia esta perdida
3. Los átomos más ligeros de la bioquímica de la vida siguen siendo más difíciles de visualizar, en términos simples tienen menos inercia.
4. La corriente es más fácil de manejar cuando una muestra es conductora.

Quién sabe qué trucos podemos sacar de la bolsa en el futuro. Tal vez podamos usar otras partículas.

Answer 6

Básicamente, el ADN es una estructura altamente condensada, además del hecho de que tiene una estructura de doble hélice (como una escalera de caracol común). Tienes razón al razonar que el ADN está compuesto de átomos, pero en la primera foto de los átomos, es una estructura plana (estructura plana hexagonal).

Si bien el ADN es una estructura 3D compacta retorcida como una escalera de caracol, también hay muchas proteínas de unión para mantener el ADN en esa forma, de modo que encaje en el pequeño espacio del núcleo (en comparación con la longitud del ADN). Estas proteínas crean una escena abarrotada, lo que aumenta la imagen poco clara del ADN.

Espero eso ayude ! Saludos!

Answer 7

Es difícil obtener un análisis de microscopio electrónico de un ADN debido a su susceptibilidad de ser dividido por electrones de alta energía.

El estudio que creó por primera vez un ADN usando un microscopio electrónico (la fuente de su imagen) lo hizo enrollando alrededor de las moléculas de ADN alrededor de una única molécula de ADN para obtener una muestra más estable que los micros no separarán con los electrones del microscopio.

La superficie de contacto está hecha de material altamente hidrofóbico con muchos nano agujeros pequeños perforados para permitir el paso de los electrones. Se coloca una muestra de ADN diluido en la superficie. Debido a la característica hidrofóbica de la superficie, el agua se aleja y se evapora, dejando solo la muestra de ADN.

Puede leer el documento completo aquí con toda la explicación sobre cómo se hizo: Imágenes directas de las fibras de ADN: el aspecto de la doble hélice

Apreciará la complejidad de las biomoléculas.

Answer 8

La estructura atómica es una sola capa de átomos unidos entre sí. Este es un átomo de espesor, por lo tanto, los electrones utilizados para la imagen pueden pasar fácilmente a través y entre los átomos para formar la imagen superior, ya que los patrones de densidad que producen los electrones pueden ser interpretados fácilmente por algoritmos de computadora y luego por científicos.

La estructura del ADN es mucho más compleja, formada por una variedad de moléculas (azúcar, ácido nucleico, etc.) para formar una estructura 3D compleja. Como es 3D (los átomos son 2D), es menos probable que los electrones atraviesen todo el compuesto y solo podemos distinguir el contorno de la forma general, como una sombra.

El microscopio electrónico no muestra los átomos, solo la “sombra” creada por los electrones que pasan a través de ellos, a partir de los cuales puede descubrir la estructura de objetos moleculares simples, como estructuras atómicas, pero no estructuras moleculares más complejas como el ADN libre, porque La interferencia hace que sea más difícil para nosotros obtener información útil. Espero que esto haya ayudado!

Para más información sobre las imágenes de ADN, esto debería ayudar:

Los investigadores desarrollan una técnica para producir una imagen directa de la hélice de ADN y su estructura interna

Edit: Soy un estudiante de bio, he usado TEM antes. Tengo un conocimiento muy básico de la tecnología y así me lo explicaron, así que esto no es definitivo.

Answer 9

Los electrones en un microscopio electrónico de barrido tienen que ir a algún lugar. Las muestras conductoras completarán el circuito a través del portamuestras. La muestra no conductora puede acumular una carga que oculta la muestra, por lo que generalmente están recubiertas con carbono u oro o escaneadas a muy bajos voltajes. No creo que este esté recubierto. Las muestras orgánicas húmedas o blandas requieren una preparación adicional para analizar en vacío.

La que está viendo es la primera imagen de ADN en una sem en la que la hebra se suspendió entre dos postes y el haz de electrones llegó a través de un agujero perforado en la base. Esto creó una geometría muy extraña para el detector, lo cual es una de las razones por las que la imagen es bastante ruidosa. La otra razón es que la muestra no es muy clara, ya que en realidad consta de seis hebras enrolladas alrededor de una séptima para que sea lo suficientemente fuerte como para evitar que la viga la rompa.

Aquí está el soporte de muestra con el cable de ADN de 7 hilos del mismo artículo que su imagen. Me imagino que este soporte de muestra, que está hecho de silicona, se construyó con equipos semiconductores fabulosos.

Answer 10

En realidad, podemos! Utilizamos rayos X en un proceso llamado difracción de rayos X. La primera imagen producida de ADN fue la “foto 51” y producida por Rosalin Franklin en 1952.

Edición: se pidió la imagen, aquí está.

Answer 11

No estoy 100% seguro, pero los átomos podrían ser más fáciles de crear imágenes porque podemos crear láminas de átomos ultra delgadas (1 átomo de grosor) y colocar átomos individuales en la parte superior. Por lo tanto, se pueden tomar imágenes con microscopio electrónico de barrido. Por otro lado, el ADN son moléculas tridimensionales gruesas y complicadas. No hay una buena manera de visualizarlos.

Answer 12

Bueno, el ADN está presente dentro del cromosoma, una cadena doble altamente condensada (enrollada). No podemos ver claramente una estructura enrollada (es como cuando los cables de sus auriculares se mezclan, pero en serio es más complejo que eso o cuando se hacen algunos fallos con el lápiz en el papel). Es difícil seguir un punto o una línea específica que es el ADN en los cromosomas.

Mientras tanto, los átomos son simples (no enrollados) y claramente diferenciales (vea esos espacios). Por eso podemos ver los átomos pero no el ADN.

Quizás sea fácil para nosotros en el futuro con tecnología y método avanzados para ver el ADN en una de las etapas de división celular, tal vez en Prophase o en una eucromatina menos intensa.

Answer 13

La micrografía superior, creo, es de grafeno (una red bidimensional de átomos de carbono unidos covalentemente), no de oro. Creo que la razón más probable para la resolución más baja de la micrografía inferior, la del ADN, es que probablemente se toma con una energía de electrones más baja. La resolución de una micrografía electrónica está limitada por la energía de los electrones utilizados para hacer la imagen: cuanto mayor sea la energía, más fina será la resolución. El material que se está fotografiando sería destruido si la energía del electrón fuera demasiado alta. En el caso del grafeno, los enlaces CC se romperían. El ADN es una molécula compleja que comprende una molécula orgánica de cadena larga compuesta por C, O, P y N unidas covalentemente. La cadena larga se enrolla alrededor de una forma de hélice que se mantiene en su forma enrollada por enlaces de hidrógeno no covalentes. Mientras que los enlaces covalentes de la cadena primaria son similares en fuerza a los enlaces CC en el grafeno, los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles. La imagen de la hebra enrollada que ve para el ADN probablemente se obtiene con una energía de electrones mucho más baja que el grafeno.

Answer 14

No estoy en absoluto en biología pero he usado SEM muchas veces. Lo más probable es que la razón para no ver el ADN tan de cerca como los átomos podría deberse al daño causado por la alta intensidad del haz de electrones en la muestra de ADN.

Observé este problema en materiales energéticos (en ADN y AN) si se utilizaba un gran zoom e intensidad. Se crearía un agujero de forma cuadrada en la muestra. Y ese proceso de descomposición inhibe el enfoque adecuado.

Answer 15

El átomo es 1 cosa, 1 átomo secular. El ADN es muchos, muchos átomos unidos estrechamente. De alguna manera, puede ver la pareja hélice en el ADN, pero no las moléculas individuales.

Answer 16

No estoy seguro, pero si recuerdo correctamente mi clase de ciencias de la escuela secundaria de hace 45 años, pero creo que los únicos ejemplos que ves como los que estás mostrando son un elemento atómico o una estructura cristalina pura, es decir, cualquier aleatorio. El corte se verá idéntico, por lo tanto, puedes explotarlo y ver los ángulos que esperas ver para un elemento atómico dado.

Si toma una estructura helicoidal compuesta de muchos elementos diferentes, simplemente obtendrá un ángulo o corte aleatorio y podrá concentrarse solo en los atributos de algunos átomos diferentes y sus relaciones con otros elementos.

Answer 17

Los átomos de oro son pesados ​​y están unidos en una red cristalina, los cuales tienden a evitar que se muevan tanto como los átomos en una molécula de ADN.