극저온 전자 현미경검사(cryo-EM)에 대한 샘플 제제는 이 방법의 구조 결정 워크플로우에서 상당한 병목 현상이다. 여기서, 우리는 전송 EM 연구를 위한 견본을 안정시키기 위하여 지원 필름의 제조를 위한 사용하기 쉬운, 3차원 인쇄 블록을 사용하기 위한 상세한 방법을 제공합니다.
저온 전자 현미경 검사법(cryo-EM)에 의한 구조 결정은 지난 10년 동안 급속히 성장했습니다. 그러나 샘플 준비는 여전히 중요한 병목 현상으로 남아 있습니다. 매크로 분자 샘플은 유리체 얼음의 얇은 층에서 임의의 방향에서 직접 직접 이미지됩니다. 그러나, 많은 샘플은 이것에 내화되고, 공기 물 인터페이스에서 단백질 성모는 일반적인 문제입니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 비정질 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물을 포함한 필름을 지원하여 시료가 채워질 수 있는 표면을 제공하기 위해 그리드에 적용하여 공기-물 인터페이스의 해로운 영향을 경험하는 입자의 가능성을 줄입니다. 그러나 이러한 섬세한 지지대를 그리드에 적용하려면 파손, 공중 오염 또는 광범위한 세척 및 세척 단계를 방지하기 위해 신중한 처리가 필요합니다. 최근 보고서는 지원 필름을 샘플로 직접 습식 전송할 수 있는 사용하기 쉬운 부동 블록의 개발에 대해 설명합니다. 블록의 사용은 필요한 수동 처리 단계의 수를 최소화하여 지원 필름의 물리적 무결성을 보존하고 소수성 오염이 발생할 수 있는 시간을 최소화하여 얼음 박막을 계속 생성할 수 있도록 합니다. 이 백서는 EM 연구를 위한 탄소, 그래핀 및 그래핀 산화물 지지체의 제조를 위한 단계별 프로토콜을 제공합니다.
지난 10년 동안, 주로 검출기 기술뿐만 아니라 다른 기술 분야에서도 획기적인 돌파구는 전염 전자 현미경 검사법(TEM)1,2에 의해 생물학적으로 관련된 시스템을 이미지화할 수 있는 해상도의 상당한 증가를 촉진했습니다. 저온-EM은 이미 단일 입자 분석 (SPA)을 통해 단백질의 50 μg에서 고해상도 구조의 해상도를 허용한다는 사실에도 불구하고, 극저온-EM 샘플 및 그리드 준비는 주요 병목 현상3,4,5 남아있다. SPA 샘플은 유리체 얼음 층 내에서 약 무작위로 분포된 거대 분자로 구성됩니다. 얼음은 입자와 용매 사이의 대비 차이를 최대화하기 위해 가능한 한 얇아야 합니다. 생물학적 거대 분자는 더 나은 solvated 남아 있기 때문에 두꺼운 얼음에서 (즉, 그들의 토착 구조를 잃을 가능성이 적습니다). 더욱이, 입자는 입자 크기6보다 훨씬 두꺼운 얼음에서 시야에 훨씬 더 잘 분포되는 것으로 나타났으며 탄소 필름의 구멍 내에서 는 종종 발견되지 않을 수 있습니다.
또한, 두꺼운 얼음 층은 높은 표면 대 부피 비율로 인해 공기-물 인터페이스에 근접하는 분자의 확률을 감소시키고, 극저온-EM 연구를 위한 표준 플런지 동결 방법을 사용하면 입자의 ~90%를 공기-물 인터페이스에 흡착시키는 결과를 낳는 것으로 추정되고 있다7. 두꺼운 얼음으로 인해 신호6,7의 용매 및 수반되는 감쇠 내의 산란 이벤트가 증가하여 눈에 띄게 높은 배경을 초래합니다. 따라서 가능한 한 얇은 유리 얼음 층을 달성할 필요가 있습니다. 이상적으로 레이어는 파티클보다 약간 두껍습니다. 그리드에 적용되는 모든 다른 샘플을 극복해야 하는 연구원의 과제는 시료 내입자의 구조적 무결성을 유지하면서 고대비 이미징을 위해 충분히 얇은 시편을 준비하는 것입니다. 공기-물 인터페이스에 단백질 흡착은 여러 가지, 일반적으로 해로운, 효과 동반.
첫째, 이러한 소수성 인터페이스에 단백질의 결합은 종종 빠르게 진행되고 전형적으로 돌이킬 수 없는 단백질의 데칭을 유도합니다8,9. 효모 지방산 신타제를 사용하여 실시한 연구에 따르면 흡착입자의 최대 90%가 변성10입니다. 둘째, 비정질 탄소11 또는 support12에서 수집된 80S 리보솜 데이터 세트의 배향 분포를 비교한 연구에서 얻은 증거에 따르면 공기-물 인터페이스는 부피13의 3D 재구성을 손상시키는 심각한 우대 방향을 일으킬 수 있음을 보여주었다. 공기-물 인터페이스와의 입자 상호 작용을 줄이는 방법에는 계면활성제(예: 세제)와의 동결 버퍼 의 보충, 지원 필름의 사용, 기판의 선호도 캡처 또는 비계, 및 가속 된 급락 시간을 포함한다. 계면 활성제의 사용은 일부 단백질 샘플이 존재할 때 이상적으로 행동할 수 있기 때문에 자체 문제와 관련이 있으며, 선호도 포착 및 스캐폴딩 기판은 일반적으로 엔지니어링 맞춤형 그리드 표면 및 캡처 전략이 필요합니다. 마지막으로, 급속한 급락 장치의 개발에 대한 연구가 많이 있지만14,15,16, 이들은 일반적으로 널리 사용할 수없는 장치를 필요로한다.
생물학적 저저온-EM의 표준 TEM 그리드는 이미 천공 무정형 탄소 foil17을 특징으로 하지만, 추가 지원 필름생성및 TEM 그리드로의 전송에 사용할 수 있는 프로토콜이 많이 있습니다. 이러한 필름의 사용은 샘플 안정화를 위한 오랜 방법입니다18. 무정형 탄소 지지대는 결정성 미카 시트19의 증발 및 증착에 의해 생성되며, 이 시트는 층이 그리드에 부동될 수 있으며, 부유물의 유용성은 이전 보고20에 확립된 유용한 도구로서 지원한다. 일반적으로 Hummers method21의 수정된 버전을 사용하여 제조된 그래핀 옥사이드 플레이크는, 감소된 배경 신호뿐만 아니라 거대 분자22를 고정및 안정화하는 능력뿐만 아니라 비정질 탄소에 바람직한 지지 구조로 사용되어 왔다. 최근에는 기계적 안정성, 높은 전도도, 배경 잡음에 대한 매우 낮은 기여도, 모노레이어 graphene24의 거시적으로 넓은 영역을 생성하고 TEM grids25로 전송하기 위한 재현 가능한 방법의 출현으로 인해 그래 핀을 TEM 지원 필름으로 사용하는 것에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. . 흡기 필름이 부족한 얼음보다 유사하게 또는 더 나쁜 빔 유도 모션을 겪는 비정질 탄소와 비교했을 때, 그래핀은 극저온-EM 이미지의 빔 유도 모션의 현저한 감소를 보였다12.
그러나, 유수성 그래핀이 공기물 간면 성소로부터 지방산 신디사이저를 보호하는 동안, 이 연구의 저자는 그래핀이 대기 탄화수소 오염의 조합과 그리드s10을 수소화하는 데 사용되는 시약으로 인해 표본 준비 중에 오염되었다고 지적했다. 실제로, 그래 핀의 우수한 자질의 많은에도 불구하고, 그것의 광범위 한 사용은 여전히 그것의 소수성을 감소 하는 데 필요한 파생에 의해 방해 12, 궁극적으로 화학적으로 어렵고 전문 장비 필요. 본 논문은 무정형 탄소, 그래핀 옥사이드 및 그래핀 샘플의 제조를 위한 프로토콜을 3차원(3D) 인쇄시 부동 블록을 사용하여 TEM 그리드로 생성된 기판으로부터 지지 필름을 직접 전송하도록 한다(도 1). 이러한 장치를 사용하는 주요 장점은 필름의 습윤 전달, 지지대의 소수성 오염을 최소화하고 결과적으로 추가 처리의 필요성을 최소화하고 잠재적으로 손상될 수 있는 수동 처리 단계의 수를 줄이는 것입니다. 이러한 접근 방식은 구현비용이 저렴하므로 샘플 지원이 필요한 극저온-EM 연구에 널리 접근가능하고 적용할 수 있습니다.
이 백서는 샘플 부동 블록을 사용하여 저온-EM 샘플 준비를 위한 비정질 탄소 및 그래핀 필름을 모두 처리하기 위한 프로토콜을 제시합니다27. 지원 블록에 대한 STL 파일은 공용 Thingiverse 리포지토리 [www.thingiverse.com/thing:3440684]에서 자유롭게 사용할 수 있으며 적합한 수지에서 적합한 스테레오소그래피 프린터로 3D 인쇄될 수 있습니다. TEM 그리드를 커버하는 탄소 필름의 사용은 일반적으로 샘플28에 탄소 부유를 포함한다. 음의 얼룩 그리드를 준비하는 이 접근법은 지원 처리 중에 공기 노출을 최소화하므로 오염 및 단백질 변성 감소를 줄입니다. 작은 우물에서 부동 탄소를 사용하여 그리드의 제조는 더 큰 표면적, 즉 수조 또는 페트리 접시에 떠 있는 것이 유리하며, 이 경우 탄소의 기계적 전단이 훨씬 더 쉽게 발생합니다.
UAc는 공표 시 현재의 건강 및 안전 규정으로 인해 구매가 어려울 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 다른 많은, 비 방사성, 부정적인 염색 시약을 사용할 수 있으며, 그들의 준비를위한 프로토콜은 이전에 설명되었다29. 대체 얼룩이 이 지원 부동 블록과 함께 사용되지는 않았지만 이미 본질적으로 샘플에 의존하는 샘플(3.5단계)을 이용한 인큐베이션 시간을 최적화하는 것 외에 이러한 프로토콜에 차이가 없을 가능성이 높습니다. 이 GrOx 지원 준비 프로토콜의 핵심 단계는 4.4 단계이며, 물과 GrOx 솔루션이 그리드 가장자리 주위에 접촉하지 못하도록 메모에 의해 강조 표시됩니다. 물과 GrOx 솔루션의 부적절한 혼합은 모세관 작용에 의한 GrOx 플레이크의 단방향 침전을 방지합니다. 탄소 호일의 양쪽에 GrOx 플레이크를 사용하면 두꺼운 층이 발생하므로 GrOx를 거의 단일 층 지지층으로 사용하는 장점을 부정하고 조각 사이에 물을 트래핑하여 추가 적인 얼음 층이있는 사용 가능한 영역의 오염을 유발합니다. 그래 핀 옥사이드 지원 준비는 유연한 폴리올핀 필름에 용액의 액적을 사용하여 비교적 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나, 그런 식으로 수행될 때, 오류를 잘못 처리하여 그리드의 구리 면을 실수로 오염시키는 것이 더 쉽습니다. 부동 블록의 사용은 이러한 사태의 가능성을 감소시킵니다.
마지막으로,이 논문은 친수성 렌더링그래핀 전처리를 피하기 위해 그래핀 으로 덮인 그리드를 준비하는 프로토콜을 제시하여 비용을 절감하고 접근성을 증가시킵니다. 시편 준비 전반에 걸쳐 습식 필름을 유지하고 동결 직전에 블록에 샘플을 적용하면 균일한 시료 분포를 통해 극저온-EM에 적합한 얼음 층의 생성을 허용하기에 충분합니다. 전반적으로 여기에 제시된 프로토콜은 공기-물 인터페이스와의 샘플 접촉을 최소화하므로 시료 절제및 지원 오염을 줄입니다. 이러한 접근 방식에 사용되는 세 개의 지원 필름의 경우, 균일한 샘플 분포는 손상되지 않은 잘 보존된 단일 입자의 이미징과 함께 그리드 전체에서 달성될 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 이러한 기술을 테스트하는 데 도움이 임페리얼 칼리지 런던에서 구조 및 합성 생물학 섹션의 모든 구성원을 감사하고 싶습니다, 뿐만 아니라 임페리얼 칼리지 고급 해킹 공간에서 해리 바넷, 구조 생물학 센터의 폴 심슨. CHSA는 웰컴 트러스트와 왕립 학회 (206212/Z/17/Z)가 공동으로 자금을 지원하는 헨리 데일 펠로우십 경에 의해 지원됩니다.
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 |