A preparação da amostra para microscopia crio-elétron (crio-EM) é um gargalo significativo no fluxo de trabalho de determinação da estrutura deste método. Aqui, fornecemos métodos detalhados para o uso de um bloco impresso tridimensional e fácil de usar para a preparação de filmes de suporte para estabilizar amostras para estudos em transmissão.
A determinação da estrutura pela microscopia crio-elétron (crio-EM) cresceu rapidamente na última década; no entanto, a preparação da amostra continua sendo um gargalo significativo. As amostras macromoleculares são idealmente imagens diretamente de orientações aleatórias em uma fina camada de gelo vítreo. No entanto, muitas amostras são refrattárias a isso, e a desnaturação de proteínas na interface ar-água é um problema comum. Para superar tais questões, apoiar filmes- incluindo carbono amorfo, grafeno e óxido de grafeno – pode ser aplicado à rede para fornecer uma superfície que as amostras podem povoar, reduzindo a probabilidade de partículas experimentando os efeitos deletérios da interface ar-água. A aplicação desses suportes delicados às grades, no entanto, requer um manuseio cuidadoso para evitar quebras, contaminação aérea ou extensas etapas de lavagem e limpeza. Um relatório recente descreve o desenvolvimento de um bloco de flutuação fácil de usar que facilita a transferência molhada de filmes de suporte diretamente para a amostra. O uso do bloco minimiza o número de etapas de manuseio manual necessárias, preservando a integridade física do filme de suporte e o tempo ao longo do qual a contaminação hidrofóbica pode se acumular, garantindo que uma fina película de gelo ainda possa ser gerada. Este artigo fornece protocolos passo a passo para a preparação de suportes de carbono, grafeno e óxido de grafeno para estudos em EM.
Na última década, avanços, principalmente na tecnologia de detectores, mas também em outras áreas técnicas, facilitaram uma sucessão de aumentos substanciais na resolução em que sistemas biologicamente relevantes podem ser imagens por microscopia eletrônica de transmissão (TEM)1,2. Apesar de o crio-EM já permitir a resolução de estruturas de alta resolução de apenas 50 μg de proteína através da análise de partículas únicas (SPA), a amostra crio-EM e a preparação da grade continuam sendo grandes gargalos3,4,5. As amostras de SPA consistem em macromoléculas distribuídas aproximadamente aleatoriamente dentro de uma camada de gelo vítreo. O gelo deve ser o mais fino possível para maximizar a diferença de contraste entre as partículas e o solvente. Macromoléculas biológicas são mais estáveis (ou seja, menos propensas a perder sua estrutura nativa) em gelo mais espesso, porque permanecem melhor solvated. Além disso, as partículas são frequentemente encontradas como muito melhor distribuídas sobre o campo de visão no gelo muito mais espessa do que o tamanho de partículas6 e frequentemente podem não ser encontradas dentro de buracos nos filmes de carbono em tudo.
Além disso, camadas mais espessas de gelo diminuem a probabilidade de moléculas estarem próximas da interface ar-água devido à alta relação superfície-volume, e estima-se que o uso de métodos padrão de congelamento de mergulho para estudos crio-EM resulta na adsorção de ~90% das partículas para a interface ar-água7. O gelo mais espesso resulta em fundo indesejávelmente alto devido ao aumento dos eventos de dispersão dentro do solvente e atenuação concomitante do sinal6,7. É, portanto, necessário alcançar uma camada de gelo vítreo possível; idealmente, a camada seria apenas um pouco mais espessa que a partícula. O desafio para o pesquisador, que deve ser superado para cada amostra diferente aplicada a uma grade, é preparar espécimes finos o suficiente para imagens de alto contraste, mantendo a integridade estrutural das partículas dentro de sua amostra. A adsorção de proteínas à interface ar-água é acompanhada por vários efeitos, geralmente deletérios.
Em primeiro lugar, a ligação de proteínas a esta interface hidrofóbica muitas vezes induz a desnaturação da proteína, que prossegue rapidamente e é tipicamente irreversível8,9. Um estudo realizado com a synthase de ácido graxo de levedura mostrou que até 90% das partículas adsorvidas são desnaturadas10. Em segundo lugar, evidências de um estudo comparando a distribuição de orientação de conjuntos de dados ribossomos 80S coletados tanto em carbono amorfo11 ou sem suporte12 mostraram que a interface ar-água pode causar orientação preferencial severa comprometendo a reconstrução 3D do volume13. Os métodos para reduzir a interação partícula com a interface ar-água incluem a suplementação do tampão de congelamento com surfactantes (como detergentes), o uso de filmes de suporte, captura de afinidade ou andaimes de substratos e tempos acelerados de mergulho. O uso de surfactantes está associado a seus próprios problemas, pois algumas amostras de proteínas podem se comportar não idealmente em sua presença, enquanto substratos de captura de afinidade e andaimes geralmente requerem superfícies de grade sob medida de engenharia e estratégias de captura. Finalmente, embora existam muitas pesquisas sobre o desenvolvimento de dispositivos de mergulho rápido14,15,16, estes requerem aparelhos que geralmente não estão amplamente disponíveis.
Embora a grade tem padrão para crio-EM biológico já apresenta uma folha de carbono amorfo perfurada17, há uma série de protocolos disponíveis para a geração de filmes de suporte adicionais e sua transferência para grades TEM. O uso desses filmes é um método há muito estabelecido para estabilização amostral18. Suportes amorfos de carbono são gerados por evaporação e deposição em folhas de mica cristalina19, das quais as camadas podem ser flutuadas em grades, com a utilidade de suportes de flutuação como ferramentas úteis estabelecidas em relatórios anteriores20. Os flocos de óxido de grafeno, tipicamente preparados usando uma versão modificada do método Hummers21, têm sido usados como uma estrutura de suporte preferível ao carbono amorfo para sua diminuição do sinal de fundo, bem como a capacidade de imobilizar e estabilizar macromoléculas22. Mais recentemente, houve um ressurgente interesse no uso do grafeno como filme de suporte TEM devido à sua estabilidade mecânica, alta condutividade, contribuição extremamente baixa para o ruído de fundo23, bem como o surgimento de métodos reprodutíveis para gerar áreas macroscopicamente grandes de grafeno monocamada24 e transferi-lo para grades TEM25 . Quando comparado ao carbono amorfo, que sofre movimentos induzidos por feixes semelhantes, ou pior, do que o gelo sem um filme de suporte11,12,17, o grafeno mostrou uma redução significativa no movimento induzido pelo feixe de imagens crio-EM12.
No entanto, enquanto o grafeno hidrofilizado protegia a synthase de ácidos graxos da desnaturação interfacial da água do ar, os autores deste estudo observaram que o grafeno foi contaminado durante a preparação da amostra, provavelmente devido a uma combinação de contaminação de hidrocarbonetos atmosféricos e do reagente usado para hidrofilizar as redes10. De fato, apesar de muitas das qualidades superiores do grafeno, seu uso generalizado ainda é dificultado pela derivatização necessária para diminuir sua hidroofobidade12, que em última análise é quimicamente difícil e requer equipamentos especializados. Este artigo relata protocolos para a preparação de suportes de amostras de carbono amorfo, grafeno e grafeno usando um bloco de flutuação de amostra impressa tridimensional (3D)27 para transferir diretamente filmes de suporte dos substratos nos quais foram gerados para grades TEM (Figura 1). Uma das principais vantagens do uso desse dispositivo é a transferência molhada de filmes, minimizando a contaminação hidrofóbica dos suportes e, consequentemente, a necessidade de tratamento adicional e reduzindo o número de etapas de manuseio manual potencialmente prejudiciais. Essas abordagens são baratas de implementar e, portanto, amplamente acessíveis e aplicáveis para estudos crio-EM onde os suportes amostrais são necessários.
Este artigo apresenta protocolos para manuseio de ambos os filmes amorfos de carbono e grafeno para preparação de amostras crio-EM usando um bloco de flutuação de amostra27. Um arquivo STL para o bloco de suporte está livremente disponível no repositório thingiverse público [www.thingiverse.com/thing:3440684], e pode ser impresso em 3D com qualquer impressora estereotipada adequada a partir de uma resina adequada. O uso de filmes de carbono cobrindo uma grade TEM geralmente envolve a flutuação de carbono na amostra28. Essa abordagem para o preparo de redes de manchas negativas minimiza a exposição ao ar durante o manuseio do suporte, reduzindo assim a contaminação e a desnaturação de proteínas. A preparação de grades usando carbono flutuante em pequenos poços é vantajosa para flutuar uma área de superfície maior, ou seja, em um banho de água ou placa de Petri, nesse caso a tesoura mecânica do carbono ocorre muito mais facilmente.
A UAc pode ser difícil de comprar devido às normas de saúde e segurança vigentes no momento da publicação. Muitos outros reagentes de coloração comumente usados, não radioativos e negativos estão disponíveis, e protocolos para sua preparação foram descritos anteriormente29. Embora as manchas alternativas não tenham sido utilizadas com este bloco de flutuação de suporte, não é provável que haja diferenças nesses protocolos além da otimização do tempo de incubação com a amostra (etapa 3.5), que já é inerentemente dependente da amostra. O passo chave neste protocolo de preparação de suporte grOx é o passo 4.4, destacado pela nota para evitar que a solução de água e GrOx entre em contato ao redor da borda da grade. A mistura inadequada da água e das soluções grOx impede a fixação unidirecional dos flocos de GrOx por ação capilar. Ter flocos de GrOx em ambos os lados da folha de carbono resulta em camadas grossas, negando assim as vantagens de usar GrOx como suporte de camada quase única, bem como prender água entre os flocos, o que causa contaminação de áreas utilizáveis com camadas adicionais de gelo. A preparação de suporte ao óxido de grafeno é relativamente fácil de conseguir usando gotículas de solução em filme de poliolefina flexível. No entanto, quando realizado dessa forma, é mais fácil contaminar acidentalmente o lado de cobre da rede por erros de manuseio indevido; o uso do bloco de flutuação reduz a probabilidade dessa eventualidade.
Finalmente, este artigo apresenta um protocolo para preparar redes cobertas de grafeno que evite qualquer tipo de pré-tratamento de grafeno para torná-lo hidrofílico, reduzindo assim seu custo e aumentando sua acessibilidade. Manter um filme molhado durante toda a preparação do espécime e aplicar a amostra in situ no bloco pouco antes do congelamento é suficiente para permitir a geração de camadas de gelo adequadas para crio-EM com uma distribuição de amostra homogênea. No geral, os protocolos aqui apresentados minimizam o contato amostral com a interface ar-água, reduzindo assim a desnaturação amostral e a contaminação por suporte. Para os três filmes de suporte utilizados nessas abordagens, distribuições de amostras homogêneas poderiam ser alcançadas em todas as redes, juntamente com imagens de partículas únicas intactas e bem preservadas.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer a todos os membros da Seção de Biologia Estrutural & Sintética do Imperial College London que ajudaram a testar essas técnicas, bem como Harry Barnett no Imperial College Advanced Hackspace, e Paul Simpson no Centro de Biologia Estrutural. A CHSA é apoiada por uma Bolsa Sir Henry Dale financiada conjuntamente pela Wellcome Trust e pela Royal Society (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 |