Preparação rápida da grade para microscopia crio-elétron resolvida pelo tempo

Fundo
Desenvolvimentos recentes na microscopia crio-elétron (crio-EM) permitiram estudos estruturais de sistemas cada vez mais complexos em alta resolução. Com poucas exceções, tais estudos têm sido limitados a macromoléculas biológicas em equilíbrio¹ ou reações relativamente lentas². Muitos processos in vivo ocorrem em uma escala de tempo mais rápida (milissegundos) e há um interesse crescente em crio-EM (TrEM) resolvidos no tempo nessas escalas de tempo³. No entanto, a preparação convencional da amostra crio-EM pelo método de manchas é muito lenta para o TrEM de milissegundo.

O método de mancha tem outras limitações além da baixa resolução de tempo. Proteínas e complexos proteicos podem sofrer de desnaturação ou orientação preferencial nas redes⁴. A redução do tempo de exposição à interface ar-água durante a preparação da amostra tem sido demonstrada para mitigar a orientação preferida e a desnaturação proteica^5,6. Assim, a preparação rápida da grade não só permite o TrEM de milissegundos, mas também pode melhorar a qualidade da grade.

Atualmente, existem três abordagens diferentes para a preparação automatizada da rede. A primeira abordagem usa um pino ou capilar que contém uma pequena quantidade de amostra. Após estabelecer contato entre o líquido e a superfície da grade, a amostra é ‘escrita’ na grade^7,8. O processo de aplicação da amostra é relativamente lento e leva alguns segundos. Uma abordagem alternativa usa a geração de gotículas controladas por um distribuidor piezo e grades auto-wicking⁹. Isso permite dispensar mais rapidamente os tempos de congelamento, mas ainda é limitado pela velocidade de gotícula e pavio (atualmente atingindo 54 ms). A abordagem mais rápida até agora é a abordagem direta de pulverização, na qual a amostra é atomizada em um bocal de spray e as gotículas pequenas (~ 10 – 20 μm) e rápidas (> 5 m/s) espalhadas após o contato com a grade crio-EM. O spray de amostra pode ser gerado de diferentes maneiras, como atomizadores do airblast, ondas acústicas de superfície ou umidificadores ultrassônicos^10,11,12,13. Em nossa experiência, a espessura do gelo com a abordagem de pulverização direta é maior, mas a pulverização direta permite dispensar vezes < 10 ms.

Este protocolo descreve passo a passo como um dispositivo EM (TED) resolvido com o tempo equipado com um bocal de pulverização microfluido pode ser usado para preparar grades em uma escala de tempo rápida^14,15. O dispositivo tem sido usado para preparar grades com um tempo mínimo de atraso de 6 ms entre aplicação da amostra e congelamento e para misturar e congelar rapidamente duas amostras. O design do TED é baseado em uma versão anterior¹⁶ e é semelhante a outros dispositivos crio-EM resolvidos com spray¹⁷.

Primeiro, as quatro partes principais da configuração TED são descritas. O núcleo do TED é a unidade de manuseio líquido, que é responsável pela aspiração e dispensação da amostra. Um êmbolo pneumático move a grade através do spray para o etano líquido. A geração do spray é alcançada com bicos de spray microfluidos e o congelamento é feito em um recipiente de etano líquido, que são descritos brevemente. Por fim, destacam-se as características adicionais para controlar o ambiente da rede, especialmente a umidade. Isso é seguido por protocolos detalhados para o funcionamento do dispositivo e para a realização de experimentos TrEM. Os resultados representativos são dados para a preparação rápida da grade e um simples experimento TrEM.

Configuração experimental

A unidade de manuseio líquido
O sistema de manuseio líquido do TED é formado por três bombas de acionamento de seringa (‘bombas 1 – 3’), cada uma equipada com uma válvula rotativa(Figura 1). Uma fonte de alimentação fornece bombas 1 – 3 com DC 24 V. A comunicação com o software de controle (escrito em Visual Basic e C++) é através de uma interface RS232 para bombear 1. Os comandos são distribuídos através das portas de expansão de I/O serial da bomba 1 às bombas 2-3. As bombas 1-3 são equipadas com seringas de vidro (seringas de vidro 1-3′, usamos 250 seringas de volume morto 250 μL/zero aqui). Cada válvula tem duas posições, ‘carregar’ e ‘dispensar’. A posição ‘carga’ é usada para aspirar amostra na seringa. Uma peça curta (~ 3 – 4 cm) de 1/16″ O.D., 0,01′′ A tubulação FEP é conectada através de encaixes ETFE/ETFE flangeless à posição de ‘carga’ das válvulas 1-3. Este pequeno pedaço de tubulação atinge o reservatório de amostras (tipicamente um tubo plástico de 1,5 mL ou 0,5 mL). A posição ‘dispensar’ leva ao bocal de pulverização. A conexão entre a tomada ‘dispense’ e o bocal de spray é feita por tubos pe (~ 20-30 cm de comprimento, 0,043″ O.D., 0,015″ I.D.), com um pequeno pedaço de tubo de manga (~ 0,5 cm) e encaixes etfe/ETFE flangeless.

O êmbolo pneumático
O TED usa um êmbolo pneumático para acelerar a rede e movê-la através do spray de amostra para o recipiente de etano líquido. Pinças de pressão negativa seguram a grade, aparafusadas em um suporte construído em casa que é montado em um cilindro pneumático de haste dupla(Figura 2A).

A pressão é fornecida a partir de um grande cilindro de gás nitrogênio (tamanho W), equipado com um regulador multiestáquia (0 -10 bar, ‘pressão principal’). A tubulação de PVC reforçado flexível (12 mm O.D.) conecta o regulador a um coletor de 12 portas onde o nitrogênio pressurizado é entregue ao bocal e ao êmbolo pneumático. O fluxo de gás através do bocal é constante, regulado diretamente no cilindro de nitrogênio (pressão principal). A conexão com o bocal é feita com tubos PU (4 mm O.D., 2,5 mm I.D.), um pequeno pedaço de tubo de PE (~ 8 cm de comprimento, 0,043″ O.D., 0,015″ I.D.) e conectores apropriados. A pressão no êmbolo pneumático é controlada através de uma válvula solenoide. O tubo PU (4 mm O.D., 2,5 mm I.D.) conecta a válvula solenoide com um regulador e o êmbolo pneumático, para permitir uma pressão de mergulho reduzida (≤ pressão principal). A válvula solenoide é controlada por computador. Uma visão geral esquemática da configuração é dada na Figura 2B.

Observe que com esta configuração a pressão de mergulho é sempre igual ou menor do que a pressão do gás de pulverização (pressão principal). No entanto, a configuração pode ser facilmente alterada incorporando um segundo regulador a montante do bocal de pulverização para permitir velocidades de mergulho mais altas em baixa pressão de gás de pulverização. Altas pressões (>> 2 barras) podem danificar o bocal de spray PDMS.

ATENÇÃO: Trata-se de um sistema pressurizado e a “pressão principal” deve ser sempre < 7 bar.

Pressões entre 0,5 e 2 barras são tipicamente usadas para o êmbolo pneumático e mostram uma relação aproximadamente linear entre pressão e velocidade (na posição vertical do spray). As velocidades de mergulho são medidas com um osciloscópio, conectado em linha com um potencializador de slides (10 kΩ) e em paralelo com um resistor de 2 kΩ(Figura 2C). Uma fonte de alimentação fornece o potencialiômetro com 9 V DC. Enquanto a velocidade de mergulho aproximada é definida antes do experimento, definindo a pressão de mergulho, o potencialiômetro dá uma leitura precisa da velocidade após o experimento.

Bicos de spray e recipiente de etano líquido
A fabricação e operação de bicos virtuais dinâmicos a gás para entrega de amostras baseadas em spray foi descrita em outros lugares no detalhe¹⁵. Como descrito acima, as saídas ‘dispensar’ das válvulas 1-3 estão conectadas às entradas líquidas do bocal(Figura 3A). O gás pressurizado está conectado à entrada de gás do bocal. As entradas nos bicos de spray PDMS são tais que a tubulação de PE de 0,043″ pode ser usada diretamente sem a necessidade de conexões. Nosso design de bocal contém uma geometria “jet-in-jet” para a mistura de duas amostras, semelhante ao dispositivo descrito no ref.¹⁸. Um esquema do design é mostrado na Figura 3B, uma imagem microscópica de um bocal é mostrada na Figura 3C. O layout do dispositivo microfluido requer o uso de três seringas para misturar duas amostras. O bocal de pulverização é normalmente posicionado a 1-1,5 cm de distância da grade (durante a aplicação da amostra).

Usamos etano líquido como criogen, em um recipiente líquido de etano/nitrogênio, como usado para o método padrão de manchas. O posicionamento vertical do copo de etano líquido é alcançado com uma plataforma de elevação de laboratório.

Controle do ambiente de pulverização e grade
O bocal de êmbolo e spray estão contidos dentro de uma caixa pmma personalizada (vidro acrílico) com uma porta dupla(Figura 4A). A alta umidade relativa dentro da caixa é alcançada por um sistema de umidificação do ar na parte de trás do TED (Figura 4B). O ar é fornecido por uma bomba e alimentado em um primeiro recipiente de 10″ (normalmente usado para purificação de água do pia). O recipiente é preenchido com um nível baixo (~ 5-10 cm) de água e também abriga uma unidade umidificador. A potência da rede do umidificador é controlada por um controlador de umidade/temperatura digital e um sensor de umidade/temperatura localizado dentro da caixa de vidro acrílico. O controlador está pronto para desligar a bomba quando a umidade relativa atingir ≥ 90 %. O ar umidificado do primeiro recipiente é bombeado através de um difusor, imerso em água em um segundo recipiente de 10″ e, em seguida, entra na caixa de vidro acrílico.

ATENÇÃO: Como a amostra é aerossolizada no bocal de spray, amostras biológicas ou químicas perigosas não são adequadas como amostras.

A sequência de execução
O botão Executar script no software de controle inicia a sequência de execução. Esta sequência de comandos pode ser pré-definida em um arquivo de script e alterada através do software. As variáveis mais importantes são explicadas aqui:

Velocidade do spray: A velocidade do pulverizador determina a taxa de fluxo de líquido usada pela bomba de seringa. A taxa de fluxo pode ser calculada da seguinte forma: Os motores da bomba de seringa utilizados aqui têm um tamanho de passo fixo. A gama completa da bomba é dividida em 48.000 passos. O segundo fator importante é o volume da seringa. Normalmente usamos seringas de 250 μL. A velocidade de pulverização no software de controle é definida como número de passos/segundo. Uma velocidade de pulverização de 1000 passos/segundo corresponde a:

Volume de pulverização: O volume do spray determina o volume total a ser pulverizado. Assim, também determina a duração do spray. O volume de pulverização no software de controle é definido como uma série de etapas. Um volume de pulverização de 2000 passos, a uma velocidade de pulverização de 1000 passos/segundo, leva a uma duração de pulverização de 2 s e um volume total de 10,4 μL.

Tempo de pré-pulverização: Esta variável define o tempo entre o início do spray e o mergulho. É importante escolher o tempo de atraso para que o spray tenha tempo suficiente para estabilizar antes de mergulhar na grade. Normalmente, o spray é dado 1,5 – 4 s para estabilizar antes que a grade seja mergulhada. O spray é mantido até que a rede se move. Normalmente, o fluxo líquido (e, portanto, o spray) é interrompido de 0,5 a 1 s depois que a rede foi mergulhada. Usando uma velocidade de pulverização de 1000 passos/s e um volume de spray de 2000 passos, um tempo típico de pré-pulverização é de 1,5 s, por exemplo.

Uma sequência exemplar de comandos é mostrada na Figura 5A, a posição da grade ao longo do tempo é ilustrada na Figura 5B.