Bir araç ve yöntemleri transmisyon elektron mikroskopi nanoliter ölçekli örnek birimleri hazırlanması için sunulmaktadır. Hiçbir kağıt kurutma işlem, böylece bu önemli ölçüde örnek kaybı azaltılması ve tek hücre için görsel proteomik lysate analizini sağlayan proteinler için olabilir zararlı sonuçları kaçınarak gereklidir.
Son teknolojik ilerleme nedeniyle cryo-elektron mikroskobu (cryo-EM) hızla protein kompleksleri atomik çözünürlükte yapısal analizi için standart bir yöntem haline geliyor. Ancak, protein yalıtım teknikleri ve örnek hazırlama yöntemleri için EM bir darboğaz kalır. Bireysel protein parçacıklar nispeten az sayıda (100,000 birkaç milyon) proteinler yüksek çözünürlüklü analiz için tek parçacık EM yaklaşım, kırılan örnek işleme teknikleri ve mikrosıvısal ilkeleri yapım tarafından yansıması gereken uygulanabilir.
Örnek ön Klima, EM kılavuz astar ve yalnızca nanoliter-örnek hacimleri tüketir işlem sonrası için bir minyatür, kağıt-Blot ücretsiz EM kılavuz hazırlama yöntemi gösterilir. Yöntem bir dağıtım sistemi kontrol sıvı alımı ve EM kılavuz astar, bir platform için alt-nanoliter hassasiyetle böylece belirleme bağıl nem EM kılavuz ve çekme-ve-dalma-için bir mekanizma örnek yukarıda kılavuz sıcaklık denetlemek için kullanır Vitrifiye. Cryo-EM, EM kılavuz ısı kontrollü sahnede yer alıyor ve örnek bir kılcal damar Aspire. Kapiler uç ızgara yüzeyi bir mesafede konumlandırılmış, kılavuz ile örnek yüklenir ve aşırı microcapillary yeniden emişli. Daha sonra örnek film stabilize ve biraz platformu sıcaklık çiğ noktası göreli uzaklığı tarafından kontrollü su buharlaşma ile inceltilerek. Belirli bir noktada hızla içine sıvı etan örnek vitrifikasyon için astarlanmalıdır EM kılavuz aktarma çekme ve dalma mekanizma tetiklenir. Alternatif olarak, örnek-Klima yöntemleri örnek nanoliter boyutlu birimleri negatif leke (NS) EM hazırlamak kullanılabilir.
Metodolojisi büyük ölçüde örnek tüketimini azaltmak ve filtre kağıdı kurutma geleneksel yöntemlerde kullanılan gibi yaklaşımlar zararlı proteinler, kaçının. Ayrıca, gerekli örnek küçük miktarda gibi hızlı örnek tek hücre lizis için “görsel proteomik” or “kayıpsız” Toplam numune hazırlama Nicel analiz ile Merkezi Klima, roman deneysel stratejileri sağlar karmaşık örnekleri.
Donanım ve yazılım protein kompleksleri transmisyon elektron mikroskobu (TEM) tarafından yapısal analizi için ağır son yıllarda gelişmiş. Yapılan iyileştirmeler “çözünürlük devrimi”1,2 yol açtı ve temelde yapısal araştırma değişti. Radyasyon duyarlılık azaltılması ve önlenmesi ise hazırlık yakın fizyolojik koşullar altında Biyolojik örneklerin izin cryo-elektron mikroskobu (cryo-EM)3,4, advent ile devrim başladı Transmisyon Elektron mikroskobu5örnek buharlaşma yüksek vakum. Takip eden yıllarda, artan teknolojik ilerleme yavaş yavaş ulaşılabilir çözünürlük artar. Bu yenilikler arasında uygulama alanı-emisyon silah6,7vardı ve daha yakın zamanlarda, geliştirilmiş veri analizi algoritmaları, maksimum olabilirlik yöntemleri8,9gibi. Doğrudan elektron dedektörü kameralar10,11,12,13, film-tarz görüntüleme ve eşlik eden yazılım gelişmeler14,15, 16 , 17, sağlanan tek parçacık analizi (için bir daha gözden geçirme bkz: Cheng, Grigorieff, vd tarafından biyolojik örnekler için atomik çözünürlük elde etmek için gerekli son atılım 18). cryo-EM önemini yakın zamanda üç pioneers kimya Nobel Ödülü Ödülü tarafından tanındı.
TEM tarafından biyolojik bir örnek görüntü için örnek (daha sonra “kılavuz hazırlık” anılacaktır) ile EM kılavuz yüklemek için kullanılan yöntemi elde edilen örnek katmanı (i) yeterince ince olduğundan emin olmalısınız (< 100 nm) geniş sesini tarafından esnek olmayan önlemek ya da çarpmak için dağınık Elektron, (ii) dayanıklı elektron mikroskobu yüksek vakum ve (III) biomolecules radyasyon zararlardan korur. Bu perquisites yerine getirmek için iki ana yöntem kullanılır: negatif leke(NS)19,20 yordamları (Şekil 1A) örnek bir ince Karbon film için absorbe, amorf ağır metal biomolecules embed ve sonra havada kurumaya derleme izin. Bu basit ve hızlı, ve (daha sonra “örnek ızgaralar” da adlandırılır) yüklü EM ızgaralar basit-e doğru saklamak ve uzun bir süre için tutulabilir (genellikle yıl). TEM, ürünleri yüksek karşıtlık NS nedeniyle sergi ve yüksek elektron dozda cryo-hazırlıklar daha tahammül, ancak çözünürlük (Şekil 1B) istihdam delikli karbon destekler yaklaşık 20 Å. Cryo-EM yordamlar sınırlıdır. Örnek çözüm ince bir film delikleri arasında yayılmış ve EM kılavuz bir cryogen, genellikle sıvılaştırılmış etan-150 ° c altında hızla sakin, içine daldı Sonuç bir amorf, vitrifiye, 50-100 nm-kalın film çözüm destek delik. Bu ince, amorf film elektron mikroskobu yüksek vakum dayanmaktadır ve ideal durumda, yerel durumlarına biyolojik yapıları korur. Yordam, yüksek çözünürlüklü yansıması biyolojik örnekler verir. Ancak, örnek kılavuz aşağıdaki sıcaklıklarda-150 ° C devitrification önlemek için her zaman tutulmalıdır. Düşük sıcaklık ama karşıtlığı nedeniyle nispeten yüksek elektron dozlarda kullanılarak görüntüsü ve sinyal-gürültü oranı yine de düşük. Bu nedenle, ortalama teknikleri kontrastı arttırmak için istihdam edilmektedir ve sağlanan örnek–dan farklı açı görüntüsü, bir yüksek çözünürlüklü üç boyutlu (3D) harita yeniden olabilir. En sık kullanılan ve tek parçacık yaklaşım bugün itibariyle 3D yeniden inşası için son derece başarılı yöntemdir. Son bir reklam için Cheng al.18‘ e bakın.
Yüksek karşıtlık gerek duyulduğunda veya örnek yalnızca sınırlı miktarda kullanılabilir olduğunda negatif leke TEM (NS-EM) tarama ve kalite kontrol için önemli (adsorpsiyon Karbon film genellikle yoğunlaşmaktadır örnek). Tek parçacık cryo-EM altın standart yöntem ise protein yapısının yüksek çözünürlüklü 3D rekonstrüksiyonu için amaçlanmıştır.
Resim 1: TEM ilkeleri kılavuz hazırlanması ve klasik (panel A, B) ve bir mikrosıvısal yaklaşım (masası C, D) arasında karşılaştırma. A) klasik NS-EM kılavuz hazırlık: hakkında 3 µL örneği pipetted el ile (daha sonra bir ‘NS-EM tablo’ da adlandırılır) bir sürekli Karbon film ile kaplı bir EM ızgara üzerine (ı). Yaklaşık 10 için kuluçka sonra s, filtre kağıdı uzak adsorbed biomolecules bir ince su film bırakarak aşırı sıvı (II), taraftan leke için kullanılır. Daha sonra protein inkübe bir heavy metal tuz solüsyonu, Örneğin, %20 2 uranyl asetat s (III) ve tekrar sıvı filtre kağıdı (IV) kullanarak taraftan Blot tarafından kaldırılır. Son olarak, EM-grid havada kurumaya bırakılır. B) klasik cryo-EM kılavuz hazırlık: hakkında 3 µL örnek bir delikli Karbon film üzerine bir el tarafından pipetted. Bir ince örnek film oluşturmak için fazla sıvı kağıt kurutma görülen bir veya her iki taraftan da (II) tarafından kaldırılır. Son olarak, grid hızla Vitrifiye (III) için sıvı etan içine gömülür. C) cryoWriter kurulumu kullanarak NS-EM kılavuz hazırlık: A 5 nL birim bir microcapillary (i) kullanarak örnek stoktan Aspire. Merkezi Klima örnek için microcapillary ipucu Klima çözüm içine, Örneğin, %2 amonyum asetat batırılır. İyonları ile küçük moleküllerin difüzyon (II) tarafından değiştirilir. Microcapillary boyutları tüm süreç odaklı difüzyon olduğundan emin olun unutmayın. Protein çok daha düşük difüzyon sabitler Tuz iyonları daha sahiptir ve önemli ölçüde24kayıp değil. Son olarak, örnek kılavuz reçete ve (III) kuru izin. D) cryoWriter tabanlı yöntemi kullanma cryo-EM kılavuz hazırlama ilkeleri: delikli Karbon film ile kaplı bir EM kılavuz ısı kontrollü bir platform yüzeyine yerleştirilen ve cımbız tarafından düzenlenen. Platform sıcaklığını çiğ noktası sıcaklık ızgara çevrenin bir uzaklığındaki kontrol edilir. Kılavuz örnek içeren microcapillary göre taşınır ve bu kılavuz yukarıda birkaç mikrometre bitene microcapillary indirilir. Sahne bir sarmal Model taşındı iken daha sonra örnek bir kaç nanoliters ondan kalmaması sağlanmaktadır; aşırı sıvı yeniden emişli (i). EM kılavuz, priming sonra microcapillary içine kapanık ve (daha sonra çiğ noktası (DP) sahne da adlandırılır) sıcaklık kontrollü platform örnek buharlaşır için kontrollü bir miktar izin vermek kısa bir süre için kılavuz kalır. Buz gibi atılmak için kılavuz hızla cımbız (II) kullanarak sahne alanı’ndan geri 90 ° dikey pozisyona saygısız ve (daha sonra ‘çekme ve dalma’ mekanizması olarak da adlandırılır) cryogen banyo (III) daldı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Ne yazık ki, NS ve cryo-EM için kullanılan ızgara hazırlama yöntemleri önemli ölçüde geliştirilmiş onlar icat edildi bu yana değil. Yüksek örnek tüketimi (1 mg/mL protein yaklaşık 3 µL) geçerli sakıncaları vardır ve büyük miktarda örnek (> %99) (resim 1A, B) kaybetti. Ayrıca, ızgaralar cryo-EM için hazırlamak için kullanılan klasik yöntem bir sert proteinler için işlemdir: ilk olarak, bu bir geniş görülen kağıt kurutma adım (Şekil 1B, II) içerir, ve, ikinci olarak, protein hava-su arabirimi için maruz kalmaktadır Saat21önemli bir miktar için. Burada, ön şartlandırma örnek için alternatif bir yöntem, örnek kılavuz hazırlık ve (kılavuz kurutma veya vitrifikasyon) NS-EM (Şekil 1C) veya cryo-EM (Şekil 1D) için son işlem sunulmaktadır. “CryoWriter” denilen içi yapılı Kur küçültülmüş örneği teknoloji ve mikrosıvısal ilkeleri işleme Aspire edin, koşul ve örnek, tamamen kurutma ve ince örnekleri için alternatif yöntemler sağlayan kaçınarak kağıt dağıtmak için kullanır Cryo-EM. Bu önemli ölçüde örnek tüketimini azaltır ve numune hazırlama bir bütün olarak üzerinde kullanıcı denetimini artırır. Ayrıca, yöntemi roman deneysel uygulamalar sağlar; “tek hücre görsel proteomik”22,23,24,25denilen bir yaklaşım tek tek hücreleri izole biyolojik bileşenleri hazırlanması gibi.
‘CryoWriter’ alet takımları ve örnek ızgaralar için NS – ve cryo-EM boyutlu nL toplam örnek birimlerden hazırlamak ve tamamen klasik kağıt kurutma adım önlemek için gerekli iletişim kurallarının sunulmaktadır. Mikrosıvısal ilke ve micromechanical sistem bu mümkün yapmak için cryoWriter içinde birleştirilir.
Bizim deneyim bu el yazması sunulan mini yöntemleri kullanıldığında, parametre alanı EM-kılavuz hazırlanması için klasik yöntemleri için ve sıkı Kullanıcı denetimi altında daha büyük olduğunu gösterir. Önemlisi, artan tekrarlanabilirlik elde gerçek deneme yapılmadan önce optimum parametreleri belirlemek için hazır test protein ile tamamlanmaktadır örnek arabellek sistemiyle ön ekran olanak sağlar. Bu örnek ilgi tüketimi için mutlak minimum tutar ve şiddetle tavsiye edilir. Her iki NS ve cryo EM kılavuz hazırlanması için kritik adımlar vardır: (i) emişli pompa sistemi; alt-nanoliter birimi dağıtımı için sistem sıvı (su) degassed olmalı ve ücretsiz kabarcık. (ii) kesin bir ışıma deşarj veya plazma adım temizlik denetim; EM ızgara yüzey özellikleri için tekrarlanabilir sonuçlar açısından büyük önem taşıyor. (iii) örnek Klima; Örneğin, NS, Merkezi Klima, için gereken süreyi ara bellek türü, tuz içeriği ve konsantrasyon (Şekil 3) yanı sıra microcapillary24meme geometrisini bağlıdır. (iv) buharlaşma oranlarını nicel EM NS-EM hazırlıkları için; kahve-ring etkisi kantitatif analiz NS-EM hazırlıkların yasaklayabilir ve yavaş buharlaşma oranlarını DP sahneyi tarafından kontrollü tarafından bastırılmış gerekir.
Sunulan ızgara hazırlama yöntemleri farklı yönlerini serbestçe belirli örnekleri için çok yönlü iletişim kuralları gelişimi sağlayan kombine edilebilir. Tipik örnekler Klima adım kılavuz hazırlık cryo-EM için önce yüksek çözünürlüklü EM, Örneğin, gliserol, engelleyen bir madde kaldırılması olacaktır; Arabulucu moleküllerin, Izgaralar hazır mısın önce Klima tarafından ligandlar, giriş; ya da tek hücre NS – veya cryo-EM tarafından (Şekil 6) lysate incelenmesi.
Havacilik ve sunulan yöntemler miktarlarda en az örnek kullanımı tamamen kağıt kurutma adımları gereksinimini ortadan kaldırır. Bunun büyük bir avantaj nedeni kağıt kurutma proteinler, potansiyel olarak istenmeyen iyonları ile örnek kirletici ve doğal olarak büyük örnek kaybı için önde gelen sert bir tedavidir. Öte yandan, cryoWriter kullanıldığında potansiyel olarak hava-su arabirimi cryo-EM örnekleri klasik şekilde hazırlanır zaman ince örnek film nedeniyle etkileri önlenmesini değil. Izgaralar cryo-EM için uygun örnek uygulama ve Vitrifiye (veri gösterilmez) arasında daha az 0.2 s bekleme süresi ile hazırlanabilir. Ancak, protein bir nanometre birkaç nanosaniye birkaç onda tarafından difüzyon seyahat gibi hala var. onları 100 nm kalın örnek film hava-su arayüzü ile birkaç kez çarpışmak yeterli zaman Ancak, hava-su arabirimine yapışmasını protein miktarı önemli ölçüde bu kısa sürede boşlukları tarafından azaltılmış olabilir ve proteini denatürasyon engelleyebilir veya kısıtlanmış parçacık yönlendirme. Hassas proteinler hava-su arabiriminden korumak olabilir başka bir umut verici yaklaşım düşük moleküler ağırlıklı yüzey-aktif maddeler maddeler tarafından örnek film karşılamaktır. Bu bileşiklerin hızla bir klima adım kılavuz hazırlık önce cryoWriter’tarafından tanıtıldı. Örnek potansiyel olarak belirsiz adsorpsiyon tarafından microcapillary yüzeye kayıp olabilir ve kantitatif analiz parçacık sayma tarafından rahatsız mikrosıvısal sistemlerinin yüksek yüzey hacim oranı cryoWriter daha fazla bir kısıtlamasıdır. Sorunu iki şekilde ele: ilk olarak, örnek microcapillary içinde uzun mesafelerde seyahat değil. Gerçekten de, nanoliter numune hacmi kapiler uç işleme boyunca kalır. İkinci olarak, hacim oranı yüzeye daha da microcapillaries nispeten büyük iç çapları, Örneğin, 180 µm. ile üçüncü kullanarak azalır, microcapillaries yüzeylerin kolayca gerekirse, düzgünleştirilecek onları tedavi tarafından Örneğin, piyasada bulunan polylysine etanol glikoller (PLL-PEG) ile.
Proteinler tarafından EM içinde kullanılan tek parçacık yaklaşımı yüksek çözünürlüklü analiz sadece 100.000 bireysel protein parçacıkların bir kaç milyon resimlere gerektirir. Bu mikrosıvısal teknikleri yapısal soruşturma için yeterli protein kompleksleri sağlayabilir anlamına gelir. Protein kompleksleri (yaklaşık 1 saat) (yaklaşık 40.000 hücreleri) en az hücre tutarlardan hızlı yalıtım için bir mini IMMUNO-yağış yöntemi önceki28geliştirilmiştir. Bu yöntem artık doğrudan cryoWriter küçültülmüş örnek hazırlık aşaması için bağlanır. Nihai amaç az iki saat içinde tüm gerektiren ultra-hızlı protein yalıtım ve cryo-EM kılavuz hazırlanması için bir tümleşik mikrosıvısal boru hattı geliştirmektir. Ayrıca, Şekil 6, dakika tutar ve numune hazırlama ve neredeyse kayıpsız klima ve cryoWriter kullanılarak elde kılavuz hazırlama prosedür için gerekli malzemenin hacmi gösterildiği gibi protein çalışma olanak sağlar tek tek hücreleri kompleksleri. Birlikte, biz son zamanlarda Isı şok deneyler24için gösterildiği gibi minyatür IMMUNO-yağış yöntemi ve cryoWriter “tek hücre görsel proteomik” adlı yeni bir proteomik yöntemi temeli yatıyordu. “Görsel proteomik” görüntüleri analiz için tasarlanmış veri analizi algoritmaları şu anda test edilmektedir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar için destek, S. A. Müller için kritik tartışmaları ve dikkatle el yazması, A. Fecteau-LeFebvre EM, Ricardo Adaixo, Frank konusunda teknik yardım almak için okumak için Basel Üniversitesi Biozentrum atölye teşekkür etmek istiyorum Lehmann membran protein için test örnekleri (tüm C-Çin, Biozentrum, Basel Üniversitesi) ve A. Engel, onun ilham verici konuşmalar için Basel Üniversitesi onursal. Test örnekleri nazikçe P. Ringler, M. A. tarafından sağlanan Mahi ve T. Schwede (Biozentrum, Basel Üniversitesi), P. Leiman (Laboratuvar yapısal biyoloji ve Biyofizik, EPFL) ve R. Diaz-Avalos (New York yapısal biyoloji Merkezi, ABD). Proje İsviçre Nanobilim Enstitüsü (sni ile proje P1401, ARGOVIA proje MiPIS) ve İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNF, proje 200021_162521) tarafından desteklenmiştir.
Liquid handling | |||
Microcapillary tip | New Objective | FS360-100-30-N-20 | SilicaTips 30 µm tip ID, 100 µm ID , pk. 20 |
FS360-150-30-N-20 | SilicaTips 30 µm tip ID, 150 µm ID , pk. 20 | ||
Conductive sleeve | New Objective | CONGAS-1 | Conductive Elastomer for HV contact, 12" long |
Fused silica tubing | BGB-Analytik | TSP-150375 | TSP Standard FS Tubing, 150 µm ID, 363 µm OD, 5 meter |
PressFit Connector | BGB-Analytik | 2525LD | Deact. PressFit Connector 0.25 to 0.25 mm ID, pk. 25 |
Syringe 10 µl | BGB-Analytik | HA-80001 | Hamilton 1701 LT – Luer Tip (needle not included) |
Syringe pump controller | Cetoni | A3921000093 | neMESYS controller |
Syringe pump dosing unit | Cetoni | A3921000095 | neMESYS dosing unit |
Temperature control | |||
Dew point sensor | Meltec | UFT75-AT | Humidity/Temperature sensor, dew point calculation, USB and embedded DLL |
Temperature sensor | Sensorshop24.ch | LS7-PT1000-1.0-3L | Surface mountable temperature sensor Pt1000 |
Peltier controller | Cooltronic | TC2812 | PID temperature controller for activation of Peltier driven systems with constant voltage output |
Peltier element | Distrelec.ch | PE-127-14-15-S | 40×40 mm |
Water-cooling block | – | – | Water cooling block for 40×40 mm peltier element, copper base |
Water pump | Digitec.ch | 294877 | XSPC X20 750 Dual 5.25 Bay Reservoir Pump Black V4 |
Water heat exchanger block | – | – | Water heat exchanger block with 2 fans to cool down circulating water |
Small water coolers | PCHC.ch | 223050 | Alphacool MCX ram copper edition 2 pcs |
Small peltier elements | Distrelec.ch | PE-031-10-15-S | Laird 15×15 mm 3.4 A 8.1 W 3.8 V 74 °C, 2 pcs |
Mechanics | |||
Linear stage z-axis | Dyneos AG | M-404.2PD | High-load precision translational stage, 50 mm travel range, DC motor |
Stage controller | Dyneos AG | C-863 | Mercury Servo Controller |
Microscope xy-axis stage | Prior Scientific | H117EIL5 | Motorized stage for Zeiss Axiovert 200 inverted microscope |
Small permanent magnets | Supermagnete | S-05-08-N | Rod magnet Ø 5 mm, height 8.47 mm, neodymium, N45, nickel-plated, pk. 10 |
Small electromagnet | Schramme | EG1025A02/110 | Electromagnet 24V 220 N 150 N 2,5 W |
Controller electromagnet | Conrad.ch | MST-1630.001 7 | Electromagnet control PCB board |
Solenoid hub | Distrelec.ch | HD8286-R-F-24V100% | Kuhnke Solenid Hub 30 mm 16 N 2 N 16 W |
Mini tweezers | Electron Microscopy Sciences | 0302-M5S-PS | Dumont Type 5 mini, super thin tips |
Various optomechanical parts | Thorlabs | – | – |
Various mechanical parts | Workshop Biozentrum, University Basel | – | Custom designed adapter plates, holders, etc. see attached CAD files |
Optics | |||
Laser diode | Thorlabs | CPS780S | 780 nm laser diode module 2.5 mW |
Photo detector | Thorlabs | PDA100A-EC | Si Switchable Gain Detector, 320-1100 nm, 2.4 MHz BW, 100 mm2 |
EM grids | |||
DURASIN FILM TEM | emsdiasum.com | DTF-03523 | 30 nm DuraSiN™ silicon nitride membranes for TEM, pack of 5 |
Quantifoil Cu 200 mesh R 2/1 | Quantifoil Micro Tools GmbH | ||
Quantifoil Cu 200 mesh R 1.2/1.3 | Quantifoil Micro Tools GmbH | ||
Buffers / Neg. stain | |||
PBS | Sigma | D8537 SIGMA | Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline |
NanoVan 2% | nanoprobes.com | Negative stain vanadium based | |
NanoW 2% | nanoprobes.com | Negative stain tungsten based | |
Software | |||
openBEB | The openBEB 2 framework is avaible upon request, version 3 will be downloadable | ||
CryoWriter control software (openBEB plugin) | Avaible upon request, extra fees for 3rd party driver software might apply. |