הכנה לדוגמה עבור מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונית (cryo-EM) הוא צוואר בקבוק משמעותי בזרימת העבודה קביעת המבנה של שיטה זו. כאן, אנו מספקים שיטות מפורטות לשימוש בלוק קל לשימוש, מודפס תלת מימדי להכנת סרטי תמיכה כדי לייצב דגימות עבור שידור EM מחקרים.
קביעת מבנה על ידי מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונית (cryo-EM) גדלה במהירות בעשור האחרון; עם זאת, הכנת מדגם נשאר צוואר בקבוק משמעותי. דגימות מקרומולקולריות מוזאות באופן אידיאלי ישירות מכיוונים אקראיים בשכבה דקה של קרח שרץ. עם זאת, דגימות רבות עקשן לכך, ו denaturation חלבון בממשק מי האוויר היא בעיה נפוצה. כדי להתגבר על בעיות כאלה, סרטים תומכים – כולל פחמן אמורפי, גרפן, תחמוצת גרפן-ניתן להחיל על הרשת כדי לספק משטח אשר דגימות יכול לאכלס, הפחתת ההסתברות של חלקיקים חווה את ההשפעות המזיקות של ממשק מי האוויר. עם זאת, היישום של תומכים עדינים אלה לרשתות דורש טיפול זהיר כדי למנוע שבירה, זיהום מוטס או שלבי כביסה וניקוי נרחבים. דו”ח שנערך לאחרונה מתאר את הפיתוח של בלוק צף קל לשימוש המאפשר העברה רטובה של סרטי תמיכה ישירות לדגימה. השימוש בבלוק ממזער את מספר שלבי הטיפול הידניים הנדרשים, תוך שמירה על השלמות הפיזית של סרט התמיכה, ואת הזמן שבו זיהום הידרופובי יכול להצטבר, ומבטיח כי סרט דק של קרח עדיין יכול להיווצר. מאמר זה מספק פרוטוקולים שלב אחר שלב להכנת תומכי פחמן, גרפן ותחמוצת גרפן למחקרי EM.
בעשור האחרון, פריצות דרך, בעיקר בטכנולוגיית גלאי, אך גם בתחומים טכניים אחרים, אפשרו רצף של עליות משמעותיות ברזולוציה שבה ניתן לדמיין מערכות רלוונטיות ביולוגית על ידי מיקרוסקופיית אלקטרונים שידור (TEM)1,2. למרות העובדה כי cryo-EM כבר מאפשר את הרזולוציה של מבנים ברזולוציה גבוהה מ קטן כמו 50 מיקרוגרם של חלבון באמצעות ניתוח חלקיק יחיד (SPA), דגימת cryo-EM והכנת רשת להישאר צווארי בקבוק עיקריים3,4,5. דגימות ספא מורכבות ממקרומולקולים המופצים באופן אקראי בתוך שכבה של קרח זוועתי. הקרח חייב להיות דק ככל האפשר כדי למקסם את ההבדל הניגודי בין החלקיקים לבין הממס. מקרומולקולים ביולוגיים יציבים יותר (כלומר, פחות סיכוי לאבד את המבנה הטבעי שלהם) בקרח סמיך יותר, כי הם נשארים פתירים טוב יותר. יתר על כן, חלקיקים נמצאים לעתים קרובות להיות מופץ הרבה יותר טוב על פני שדה הראייה בקרח הרבה יותר עבה מאשר גודל החלקיקים6 ולעתים קרובות לא ניתן למצוא בתוך חורים בסרטי הפחמן בכלל.
בנוסף, שכבות עבות יותר של קרח מפחיתות את ההסתברות שמולקולות יתקרבו לממשק מי האוויר בשל יחס פני השטח-נפח הגבוה, וההערכה היא כי שימוש בשיטות הקפאת צלילה סטנדרטיות למחקרי קריו-EM גורם לספיגה של ~ 90% מהחלקיקים לממשק מי האוויר7. קרח עבה יותר גורם לרקע גבוה באופן בלתי רצוי עקב אירועי פיזור מוגברים בתוך ההפחתה הממסית והמשתוכת של האות6,7. לכן יש צורך להשיג שכבה דקה ככל האפשר של קרח הזגוגות; באופן אידיאלי, השכבה תהיה רק מעט עבה יותר מהחלקיק. האתגר של החוקר, אשר יש להתגבר על כל מדגם שונה להחיל על רשת, הוא להכין דגימות דקות מספיק עבור הדמיה ניגודיות גבוהה תוך שמירה על השלמות המבנית של החלקיקים בתוך המדגם שלהם. ספיחת חלבון לממשק מי האוויר מלווה בכמה, בדרך כלל מזיק, אפקטים.
ראשית, כריכת חלבונים לממשק הידרופובי זה לעיתים קרובות תורמת לדנטורציה של החלבון, אשר ממשיך במהירות והוא בדרך כלל בלתי הפיך8,9. מחקר שנערך באמצעות סינתאז חומצת שומן שמרים הראה כי עד 90% של חלקיקים ספיח הם denatured10. שנית, עדויות ממחקר המשווה את התפלגות הכיוון של ערכות נתונים ריבוזום 80S שנאספו על פחמן אמורפי11 או ללא תמיכה12 הראו כי ממשק מי האוויר יכול לגרום אוריינטציה מועדפת חמורה להתפשר על שחזור 3D של נפח13. שיטות להפחתת אינטראקציית החלקיקים עם ממשק מי האוויר כוללות תוספת של חוצץ ההקפאה עם חומרים פעילי שטח (כגון חומרי ניקוי), שימוש בסרטי תמיכה, לכידת זיקה או פיגומים של מצעים, זמנים צניחה מואצים. השימוש בפעילים פעילי שטח קשור לבעיות שלו, שכן דגימות חלבון מסוימות עשויות להתנהג באופן לא אידיאלי בנוכחותם, בעוד מצעים לכידת זיקה ופיגומים דורשים בדרך כלל משטחי רשת מותאמים להנדסה ואסטרטגיות לכידה. לבסוף, למרות שיש הרבה מחקר על פיתוח של מכשירים צלילה מהירה14,15,16, אלה דורשים מנגנון כי הוא בדרך כלל לא זמין נרחב.
למרות רשת TEM הסטנדרטית עבור cryo-EM ביולוגי כבר כולל רדיד פחמן אמורפי מחורר17, ישנם מספר פרוטוקולים זמינים עבור הדור של סרטי תמיכה נוספים והעברתם לרשתות TEM. השימוש בסרטים אלה הוא שיטה ותיקה לייצוב מדגם18. תומכי פחמן אמורפיים נוצרים על ידי אידוי ותצהיר על יריעות נציץ גבישי19, שממנו ניתן לצוף את השכבות על רשתות, עם השירות של תמיכה צפה ככלים שימושיים שנקבעו בדוחות קודמים20. פתיתי תחמוצת גרפן, שהוכנו בדרך כלל באמצעות גרסה מותאמת של שיטת האמר21, שימשו כמבנה תמיכה עדיף לפחמן אמורפי עבור אות הרקע הירידה שלהם, כמו גם את היכולת לשתק ולייצב macromolecules22. לאחרונה, יש כבר עניין עולה בשימוש גרפן כסרט תמיכה TEM בשל היציבות המכנית שלה, מוליכות גבוהה, תרומה נמוכה מאוד רעש רקע23, כמו גם הופעתה של שיטות לשחזור ליצירת אזורים גדולים מקרוסקופיים של גרפן monolayer24 והעברתו לרשתות TEM25 . בהשוואה לפחמן אמורפי, העובר תנועות הנגרמות על ידי קרן באופן דומה, או גרוע מכך, מאשר קרח חסר סרט תמיכה11,12,17, גרפן הראה ירידה משמעותית בתנועה הנגרמת על ידי קרן של תמונות cryo-EM12.
עם זאת, בעוד סינתאז חומצת שומן מוגן גרפן הידרופילי מן denaturation בין-דתיים מי אוויר, מחברי המחקר הזה ציינו כי גרפן הפך מזוהם במהלך הכנת דגימה, ככל הנראה בשל שילוב של זיהום פחמימנים אטמוספרי מן ריאגנט המשמש הידרופילי לרשתות10. ואכן, למרות רבות מהתכונות המעולות של גרפן, השימוש הנרחב שלה עדיין מופרע על ידי derivatization הנדרש כדי להקטין הידרופוביה שלה12, אשר בסופו של דבר קשה מבחינה כימית ודורש ציוד מומחה. מאמר זה מדווח על פרוטוקולים להכנת פחמן אמורפי, תחמוצת גרפן ודגימת גרפן התומכת באמצעות בלוק צף מדגם מודפס תלת-ממדי (3D)27 כדי להעביר ישירות סרטי תמיכה מהמצעים שעליהם הם נוצרו לרשתות TEM (איור 1). יתרון מרכזי בשימוש במכשיר כזה הוא העברה רטובה של סרטים, מזעור זיהום הידרופובי של התומכים וכתוצאה מכך הצורך בטיפול נוסף, והפחתת מספר שלבי טיפול ידניים שעלולים להזיק. גישות אלה זולות ליישום ולכן נגישות וישימות למחקרי קריו-EM שבהם יש צורך בתמיכות מדגם.
מאמר זה מציג פרוטוקולים לטיפול בסרטי פחמן אמורפי וגרפן להכנת מדגם cryo-EM באמצעות בלוק הצפה מדגם27. קובץ STL עבור בלוק התמיכה זמין בחופשיות ממאגר Thingiverse הציבורי [www.thingiverse.com/thing:3440684], וניתן להדפיס בתלת-ממד עם כל מדפסת סטריאוליטוגרפיה מתאימה משרף מתאים. השימוש בסרטי פחמן המכסים רשת TEM כרוך בדרך כלל בהצפת הפחמן על המדגם28. גישה זו להכנת רשתות כתמים שליליות ממזערת את החשיפה לאוויר במהלך טיפול בתמיכה, ובכך מפחיתה זיהום וזיהום חלבונים. הכנת רשתות באמצעות פחמן צף בבארות קטנות היא יתרון לציפה שטח פנים גדול יותר, כלומר, באמבט מים או צלחת פטרי, ובמקרה זה גיזה מכנית של הפחמן מתרחשת הרבה יותר בקלות.
UAc עשוי להיות קשה לרכוש בשל תקנות הבריאות והבטיחות הנוכחיות בעת הפרסום. ריאגנטים רבים אחרים נפוצים, לא רדיואקטיביים, מכתימים שליליים זמינים, ופרוטוקולים להכנתם תוארו בעבר29. למרות כתמים חלופיים לא שימשו עם בלוק הצפת תמיכה זו, זה לא סביר כי יהיו הבדלים בפרוטוקולים אלה מלבד אופטימיזציה של זמן הדגירה עם מדגם (שלב 3.5), אשר כבר תלוי מדגם מטבעו. השלב העיקרי בפרוטוקול הכנת תמיכה זה של GrOx הוא שלב 4.4, המודגש על-ידי ההערה כדי למנוע מפתרון המים וה- GrOx ליצור קשר סביב קצה הרשת. ערבוב לא הולם של פתרונות המים וה- GrOx מונע יישוב חד-כיווני של פתיתי GrOx על ידי פעולה נימית. לאחר פתיתי GrOx משני צידי רדיד הפחמן גורם שכבות עבות, ובכך לשלול את היתרונות של שימוש GrOx כתמיכה שכבה כמעט אחת, כמו גם לכידת מים בין הפתיתים, אשר גורם לזיהום של אזורים שמיש עם שכבות נוספות של קרח. הכנת תמיכה תחמוצת גרפן קל יחסית להשיג באמצעות טיפות של פתרון על סרט פוליאולפין גמיש. עם זאת, כאשר מבוצע בדרך זו, קל יותר לזהם בטעות את הצד הנחושת של הרשת על ידי טיפול לא נכון שגיאות; השימוש בבלוק הצפה מקטין את הסבירות של אפשרות זו.
לבסוף, מאמר זה מציג פרוטוקול להכנת רשתות מכוסות גרפן המונע כל סוג של טיפול מקדים גרפן כדי להפוך אותו הידרופילי, ובכך להפחית את העלות שלה ולהגדיל את הנגישות שלה. שמירה על סרט רטוב לאורך הכנת הדגימה והחלת המדגם במקום בבלוק רגע לפני ההקפאה מספיקה כדי לאפשר יצירת שכבות קרח מתאימות להקפאה-EM עם התפלגות מדגם הומוגנית. בסך הכל, הפרוטוקולים המוצגים כאן ממזערים מגע מדגמי עם ממשק מי האוויר, ולכן מפחיתים את דנטורציה מדגם ותמיכה בזיהום. עבור שלושת סרטי התמיכה המשמשים בגישות אלה, ניתן היה להשיג הפצות מדגם הומוגניות על פני הרשתות יחד עם הדמיה של חלקיקים בודדים שלמים שהשתמרו היטב.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצים להודות לכל חברי המחלקה לביולוגיה מבנית וסינתטית באימפריאל קולג ‘בלונדון שעזרו לבחון טכניקות אלה, כמו גם הארי בארנט באימפריאל קולג ‘מתקדם Hackspace, ופול סימפסון במרכז לביולוגיה מבנית. CHSA נתמך על ידי מלגת סר הנרי דייל במימון משותף על ידי קרן Wellcome והחברה המלכותית (206212/Z/17/Z).
Basic Plasma Cleaner (230 V) | Harrick Plasma | PDC-32G-2 | |
Dumont tweezers N5A INOX. | Dumont Swissmade | 0302-N5A-PO | |
Dumont tweezers NGG INOX. | Dumont Swissmade | 0102-NGG-PO | |
Ehtylacetate | Sigma-Aldrich | 270989-250ML | |
Fishing Loops 10 μL | VWR | 612-9353 | |
Graphene Oxide 2 mg/mL | Sigma-Aldrich | 763705-25ML | |
Iron (III) chloride | Sigma-Aldrich | 31232-250MG | |
Mica Sheets 75 mm x 25 mm x 0.15 mm | Agar Scientific | AGG250-1 | We usually coat mica with a target carbon film thickness of 2 nm |
Monolayer Graphene on Cu | Graphenea | N/A | 10 mm x 10 mm, pack of 4 |
n-dodecyl β-D-maltoside (DDM) | GLYCON Biochemicals GmbH | D97002-C | |
Quantifoil R1.2/1.3 300 mesh copper grids | Enzo Life Sciences | JBS-X-101-Cu300 | |
Quantifoil R2/1 300 mesh copper grids | Enzo Life Sciences | JBS-X-102-Cu300 | |
Quantifoil R2/1 300 mesh gold grids | Electron Microscopy Sciences | Q350AR1 | |
Scissors | Agar Scientific | AGT577 | |
Uranyl Acetate | TAAB Laboratories Equipment | U001 | |
Vitrobot Mark IV | FEI | N/A | |
Whatman filter paper 55 mm | GE Healthcare Life Sciences | 1441-055 | |
Whatman filter paper 70 mm | GE Healthcare Life Sciences | 1441-070 |