Die Zusammenarbeit führt zur Entdeckung von 12-seitigen Quarzkäfigen

Kann man die Seele wiegen und haben auch Steine ein Bewusstsein? - Klaus Mittermeier (Juli 2019).

Anonim

Wie nennt man eine materialwissenschaftliche Entdeckung, die durch eine Vorlesung eines Chemie-Nobelpreisträgers, die Verwendung der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), stark gefördert und durch eine Doktorarbeit über maschinelles Lernen weiter vorangetrieben wurde?

Typische Cornell-Forschung.

In einem in Nature erschienenen Artikel berichtet ein Team um Uli Wiesner, Spencer T. Olin, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Cornell University, über die Entdeckung von 10-Nanometer-selbstorganisierten Dodekaedern12 Siliziumkäfige, die Anwendungen in der mesoskaligen Materialzusammensetzung sowie in der medizinischen Diagnose und Therapie finden könnten.

Die Arbeit des Teams, "Surfactant Micelle Self-Assembly Directed Hoch Symmetrische Ultrakleine Anorganische Käfige", wurde am 20. Juni veröffentlicht.

Weitere Mitglieder des Teams sind die Postdocs Kai Ma und Tangi Aubert von der Wiesner Group; Peter Doerschuk, Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und an der Meinig School of Biomedical Engineering; und Doktorand Yunye Gong von der Doerschuk Group.

Techniken aus Gongs Doktorarbeit, "Berechnen und Verstehen von statistischen Modellen für heterogene biologische Nanomaschinen", wurden verwendet, um die 3D-Form der Käfigstrukturen zu bestimmen.

"Die Leute hatten vorgeschlagen, dass diese sehr komplexen Nanostrukturen strukturelle Einheiten von Schüttgütern sind", sagte Wiesner, "aber niemand hat diese Käfige jemals als isolierte Bausteine ​​identifiziert."

Der Weg, um das zu erreichen, sagte Wiesner: Halte die chemische Reaktion, die diese Formen hervorbringt, frühzeitig fest, um die Struktur bei ihrer Entstehung zu sehen. "Dies war in der Tat ein Teil der laufenden Bemühungen zur Optimierung der Kieselsäure-Chemie in unserer Gruppe", sagte Ma.

Um sie abzubilden, wurden Partikel in Wasser schnell auf kryogene Temperaturen gefroren, so schnell, dass Wasser anstelle von Eis ein glasiger Feststoff wurde. Innerhalb der dünnen glasigen Filme konnten die Käfige durch Kryo-EM in allen unterschiedlichen Orientierungen abgebildet werden. Ungefähr 19.000 Ein-Teilchen-Bilder wurden von Ma und anderen Mitgliedern der Wiesner-Gruppe mit großem Aufwand gesammelt.

Gongs maschinelle Lernalgorithmen, die ursprünglich für die Untersuchung von Virusproteinkäfigen entwickelt wurden, wurden auf Teilmengen dieser Bilder angewendet, in Klassen eingeteilt und für jede Klasse eine 3-D-Rekonstruktion erstellt. Eine Berechnung basierend auf 2.000 Bildern dauert etwa einen Tag.

Ähnlich wie bei einem Krankenhaus-CT-Scan zeigten die Ein-Teilchen-3D-Rekonstruktionen die äußere Form und die innere Struktur des Teilchens.

"Wir waren erfreut, die Möglichkeit zu haben, mit der Wiesner Group bei diesem Problem zusammenzuarbeiten", sagte Gong, "und demonstrieren die Breite dessen, was unsere Algorithmen und Software leisten können."

Die Gruppe sagt, dass dies das erste Mal sein könnte, dass die 3D-Rekonstruktion von Kryo-EM-Bildern mittels künstlicher Intelligenz - eine sich schnell entwickelnde Technik in der Strukturbiologie - erfolgreich auf die Entdeckung von synthetischen Materialien angewendet wurde.

"Als ich zum ersten Mal die Idee vorbrachte, die Käfigstruktur durch diese Technik zu bestätigen, glaubten die meisten Leute nicht, dass dies aufgrund der Komplexität des Materials möglich war", sagte Ma.

"Dass dies einen schönen Käfig im Dodekaeder-Typ enthüllte, den höchst symmetrischen der fünf platonischen Körper, die bereits in der Antike erforscht wurden, war immens lohnend", sagte Wiesner.

Wo passt der Nobelpreisträger? Vor einigen Jahren nahm Wiesner an einem Vortrag von Roald Hoffmann teil, dem emeritierten Frank HT Rhodes Professor in der Abteilung für Chemie und chemische Biologie. Ein Thema der Vorlesung waren sogenannte Clathratkäfigstrukturen. Ein Clathrat ist eine Verbindung, in der ein Gastmolekül im Kristallkäfig eines anderen eingeschlossen ist.

Das brachte Wiesner zum Nachdenken über die Arbeit, die sein Labor an nanoskaligen Strukturen gemacht hatte, die in Voruntersuchungen nur als Ringe erschienen waren. "Nach dem Vortrag bin ich buchstäblich nach Duffield Hall gerannt, um Kai Ma zu sagen, dass ich dachte, dass die Strukturen höherer Ordnung, die er manchmal sah, wahrscheinlich Clathrat-ähnliche Strukturen wären", sagte Wiesner. "Kai hat mehr Mikroskopie gemacht und gesagt, 'Uli, ich denke du hast Recht.'"

Diese zufällige Verbindung und die unwahrscheinliche Zusammenarbeit, die das maschinelle Lernen mit Doerschuk und Gong einbezieht, ist für den Kurs in Cornell gleichrangig, sagte Wiesner.

"Es ist eine typische Cornell-Geschichte", sagte er. "Sie treffen diese Leute von verschiedenen Abteilungen, und alles trägt zu einer bedeutenden Entdeckung in der Wissenschaft einer schönen Struktur bei, die nie zuvor gesehen worden war."

Doerschuk stimmte zu: "Ich kam 2006 nach Cornell. Eine der Hauptattraktionen war die Behauptung, dass Barrieren zwischen den Abteilungen niedrig sind und interdisziplinäres Arbeiten gefördert wird. Nachdem ich nun seit zehn Jahren bei Cornell arbeite, freue ich mich, diese Behauptung zu berichten ist wahr."

Wiesner behauptet, dass "basierend auf den jüngsten Erfolgen … von ultrakleinen fluoreszierenden Silica-Nanopartikeln (" Cornell dots ") … eine ganze Reihe von neuartigen diagnostischen und therapeutischen Sonden mit in den Käfigen versteckten Medikamenten ins Auge gefasst werden kann."

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