אנו מציגים פרוטוקול להכנת lamella של דגימות ביולוגיות קפואות לצלול על ידי מיקרו-מכונות קרן יונים ממוקדות קריו למחקרים מבניים ברזולוציה גבוהה של מקרומולקולולים במקום עם טומוגרפיה קריו-אלקטרונית. הפרוטוקול המוצג מספק קווים מנחים להכנת lamellae באיכות גבוהה עם רבייה גבוהה לאפיון מבני של macromolecules בתוך cerevisiae Saccharomyces.
כיום, טומוגרפיה קריו-אלקטרונית (cryo-ET) היא הטכניקה היחידה שיכולה לספק נתונים מבניים ברזולוציה כמעט אטומית על מתחמי מאקרומולקולריים במקום. בשל האינטראקציה החזקה של אלקטרון עם החומר, מחקרי cryo-ET ברזולוציה גבוהה מוגבלים לדגימות בעובי של פחות מ -200 ננומטר, מה שמגביל את תחולת ה- cryo-ET רק לאזורים ההיקפיים של תא. תהליך עבודה מורכב הכולל הכנת חתך תאי דק על ידי מיקרוכינינג קרן יונים ממוקד קריו (cryo-FIBM) הוצג במהלך העשור האחרון כדי לאפשר רכישה של נתוני cryo-ET מהפנים של תאים גדולים יותר. אנו מציגים פרוטוקול להכנת lamellae הסלולר מדגם vitrified על ידי הקפאת צלילה ניצול Saccharomyces cerevisiae כדוגמה טיפוסית של תא אאוקריוטי עם ניצול רחב במחקר ביולוגיה תאית ומולקולרית. אנו מתארים פרוטוקולים לvitrification של S. cerevisiae לתוך טלאים מבודדים של כמה תאים או monolayer רציף של התאים על רשת TEM ולספק פרוטוקול להכנת lamella על ידי cryo-FIB עבור שתי דגימות אלה.
ההתפתחויות הטכנולוגיות והתוכנה האחרונות הפכו את אלקטרון קריו-מיקרוסקופיה (cryo-EM) של דגימות ביולוגיות מלוטשת לאחת הטכניקות המרכזיות במחקר ביולוגיה מבנית בעשור האחרון1,2. הכנת דגימה עבור cryo-EM בדרך כלל מורכב יישום של חלבון מטוהר או קומפלקס של חלבון עם חומצת גרעין על נושא המדגם (רשת TEM), ואחריו הסרת רוב הנוזל עם נייר מסנן, וצלילה הקפאה של הרשת עם שכבה דקה שיורית של מדגם לתוך אתאן נוזלי או פרופן3 . המדגם קבוע לפיכך בשכבה דקה (בדרך כלל <80 ננומטר) של חוצץ אמורפי במצב של לחות מלאה, בתנאים כמעט מקומיים, וללא צורך בשום קיבעון כימי או מתכת כבדה מנוגדת. הדמיה של הדגימה ההומוגנית מבחינה מבנית במיקרוסקופ אלקטרוני השידור גורמת לנתונים שניתן להשתמש בהם לקביעת המבנה התלת מימדי של המאקרו-קול ברזולוציה כמעט אטומית באמצעות פרוטוקול ניתוח חלקיקים יחיד2. מבנה במבחנה כזו מתאים לייצוג של המקרומולקול בתנאים ובטיפול המשמשים במהלך הכנת המדגם. למרות המבנים שנקבעו בתנאי במבחנה בדרך כלל תואמים את המצב התפקודי המלא של macromolecule, היכולת לדמיין יחסים מרחביים בין מקרומולקולקולים שונים בתוך התא יספק הקשר פונקציונלי נוסף לנתונים המבניים.
טומוגרפיה קריו-אלקטרונית (cryo-ET) משמשת לשחזור כרכים תלת-ממדיים של עצמים pleomorphic או מתחמים מקרומולקולריים במקום4,5. היתרון של cryo-ET הוא שהמידע התלת מימדי מתקבל על ידי הדמיה של ישות אחת. עם זאת, הרזולוציה שבה נצפים מתחמים מקרומולקולריים בודדים או אברונים מוגבלת מאוד. לכן, ממוצע של macromolecules (תת טומוגרפיה ממוצעת, STA) עם אותו מבנה ממספר גדול יותר של טומוגרמה יש צורך להגיע 4-8 מודלים ברזולוציה Å מנתוני cryo-ET6,7. לאחרונה הוכח כי cryo-ET ו STA ניתן להחיל גם כדי לקבוע מבנים ברזולוציה גבוהה של מכונות macromolecular כגון ריבוזומים בהקשר של הסביבה התאית7. עם זאת, ניצול מיקרוסקופיית אלקטרונים שידור מוגבל על ידי עובי הדגימה. באופן כללי, זה לא בעיה עבור קריו-EM חלקיק יחיד שבו אופטימיזציה של תנאי vitrification יכול בסופו של דבר לגרום להטמעה של המדגם בשכבה דקה של קרח. מצד שני, רוב התאים אינם למעשה שקופים אלקטרונים עבור קרן האלקטרונים 300 keV. הנתיב החופשי הממוצע הבלתי-אלסטי בדגימות הביולוגיות המשובצות עבור 300 האלקטרונים של KEV הוא כ-395 ננומטר8, מה שאומר שמחקרי קריו-ET מוגבלים לפריפריה התאית עבור רוב התאים.
טכניקות שונות פותחו כדי לדלל את המדגם עד לעובי מספיק עבור cryo-ET. קריו-אולטרה-מיקרוטומיה משתמשת בצילום מכני של המדגם עם סכין יהלום בטמפרטורת החנקן הנוזלי (-196 °C)-C) כדי לספק קטעים בעובי 60-80 ננומטר המתאימים להקפאה-ET9,10,11. ניתן להכין מקטעים מרובים מתא בודד וניתוח הנתונים יכול בסופו של דבר להפיק מידע מבני תלת-ממדי עבור החלק הגדול יותר של התא. עם זאת, חיתוך מכני יכול לגרום למספר חפצים כגון קטעים מעוקלים, סדקים או דחיסת מדגם, אשר עשוי להשפיע על המבנה המתקבל ולהטיה את נתוני cryo-ET10,11,12. מיקרו-מכונות קרן יונים ממוקדות קריו (cryo-FIBM) מייצגות גישה חלופית שבה מקטע תאי דק מוכן על ידי אבלציה הדרגתית של הדגימה באמצעות קרן ממוקדת של יונים Ga + (FIB) בתהליך רב שלבי, אשר יכול לגרום 80-300 ננומטר חתך סלולרי בעובי (lamella)13,14,15 . בניגוד להקפאה-אולטרה-מיקרוטומיה, רק לאמלה אחת מוכנה מתא בודד, המייצג כ-0.3%-3% מהנפח שלו, ומיקרומכינינג של תאים מרובים נחוץ בדרך כלל כדי למצוא אזור מעניין בחתך הטחון. בנוסף, התפוקה של זרימת העבודה כולה היא עדיין נמוכה למדי, לעתים קרובות מוגבלת 6-8 lamellae באיכות גבוהה מהפעלה של 8 שעות cryo-FIBM. מצד שני, חתך ה-cryo-FIBM נטול כל ממצאי דחיסה ומספקים קלט מתאים להקפאה-ET ברזולוציה גבוהה. יתר על כן, העברת lamella למנשא מדגם עבור cryo-ET אינו הכרחי כמו המדגם נשמר על רשת TEM במהלך כל תהליך הכנת lamella ואת אותה רשת ניתן להעביר לאחר מכן TEM. אנו מצפים כי התפוקה של cryo-FIBM ישתפר באופן משמעותי בקרוב, בעיקר מתוך זמינות של תוכנה עבור כרסום lamella ללאפיקוח 16,17 וניצול של FIBs הפועלים על העיקרון של תשלום-זוג פלזמה, אשר יאפשר אבלציה חומר מהר יותר.
Saccharomyces cerevisiae (שמרים) הם תאים אאוקריוטים בעלי צורה כדורית וקוטר של ~ 2-5 מיקרומטר. הודות לגודלו, נגישותו, גנטיקה, זמן הדור והמניפולציה הפשוטה, השמרים נחקרים בהרחבה כאורגניזם מודל אאוקריוטי במחקר ביולוגיה תאית ומולקולרית בדומה לאשריצ’יה קולי, הנחקר היטב כאורגניזם מודל פרוקריוטי בבקטריולוגיה. שמרים ניתן לתאם בקלות השעיה כמות גבוהה של תאים נוצר בתוך זמן קצר (הכפלת זמן 1 – 2 שעות). חשוב מכך, שמרים חולקים מבנה תאי פנימי מורכב עם תאים בעלי חיים וצמחים תוך שמירה על גנום קטן המורכב מתוכן נמוך של דנ”א שאינו קידוד. אפיון מבני של פרוטאום השמרים מהרזולוציה הגבוהה בנתוני ה- situ יכול אפוא לסייע לספק תיאור מכני לכמות הנרחבת של נתונים פונקציונליים הזמינים בספרות.
להלן, אנו מספקים פרוטוקול מקיף לרכישת נתוני in situ cryo-ET על דגימת השמרים, המכסה את כל השלבים מהטיפוח לדוגמה ועד להכנת cryo-FIBM lamella, והעברת הדגימה ל- TEM לרכישת נתוני cryo-ET.
הכנת הדגימות הסלולריות עבור cryo-ET היא זרימת עבודה מורכבת הדורשת ניצול של מספר מכשירים מתקדמים. איכות המדגם יכולה להיות בסכנה במהלך כל שלב הכנה המשפיע על התפוקה של הפרוטוקול כולו. בנוסף, הצורך של העברת המדגם בין מכשירים בודדים מהווה סיכון נוסף של זיהום מדגם או devitrification. לכן, אופטימיזציה של שלבים בודדים בזרימת העבודה של הכנת המדגם היא בעלת חשיבות גבוהה כדי להגדיל את התפוקה ואת השחזור של זרימת העבודה להכנת lamella. הפרוטוקול המוצג כאן מתאר את ההכנה הממוטבת של Saccharomyces cerevisiae לאפיון מבני של מתחמי מקרומולקולרים במקום על ידי cryo-ET.
הפרוטוקול מתאר את הכנת שני סוגים של דגימות שמרים הנבדלות בעיקר בריכוז התאים ברשת TEM. שתי דגימות שמרים הניבו lamellae באיכות גבוהה עבור cryo-ET ובחירה של סוג הדגימה ניתן לעשות בהתאם למטרות המחקר המסוים. השמרים יוצרים אשכולות מבודדים של תאים מעטים הפזורים באופן אקראי על פני הרשת במקרה הראשון, בעוד מונו-שכבתית רציפה של תאים קיים על משטח רשת TEM עבור סוג המדגם השני. הראשון מתאים להכנת lamella מהירה הודות לנפח הקטן של החומר שיש לטחון משם. lamella הסופי הוא קצר למדי, ולכן, מכיל רק 2-4 חתך סלולרי. האזורים המתאימים להכנת מדגם מופצים באופן אקראי על פני הרשת כולל ריבועי הרשת, אשר עשויים להגביל חלקית את האוטומציה של זרימת העבודה להכנת lamella. הסוג האחרון של הדגימה דורש ניצול של זרמים גדולים יותר במהלך שלב הטחינה הראשוני כדי לשמור על זמן הטחינה הכולל. בנוסף, סוג זה של מדגם נוטה יותר חפצים הנובעים כרסום לא אחיד (וילונות). לכן, GIS הוא מקרטעת על משטח המדגם לתקופה ארוכה ב -50% מאשר במקרה של המדגם עם אשכולות סלולריים קטנים כדי ליצור שכבת הגנה עבה יותר. לאחר מכן, המדגם הוא מקרטעת עם שכבה נוספת של אירידיום (לחלופין פלטינה או זהב) כדי לרפא את שכבת GIS, להפוך אותו נוקשה יותר, ולהגדיל את מוליכות פני השטח מדגם. FIBM של אזורים נוספים בכל צד של lamella (~ 2-5 מיקרומטר מקצה lamella) במהלך הצעד הראשון של כרסום lamella מחוספס נמצא מועיל כדי להפחית את מספר lamellae שבור ככל הנראה בשל מתח ירד בחתך האחרון23. המלה הסופי ארוך ומכיל ~ 10 חתך סלולרי, אשר מגדיל את מספר האזורים המתאימים cryo-ET. ניתן להחריף בקלות את ההחייאה הלא נכונה של המדיום או החיץ בין התאים על ידי הוספת מגן הקריו לפתרון החיץ (5% גליצל המשמש במחקר זה). מכיוון שרוב הריבועים מתאימים להכנת lamella, המדגם עם תאים המאורגנים לתוך monolayer רציף מתאים היטב להכנת lamella ללא פיקוח.
היבט חשוב נוסף בתהליך הכנת lamella הוא העברה למיקרוסקופ אלקטרונים השידור ומיצוב נכון של lamella לציר הטיית שלב המיקרוסקופ. באופן אופטימלי, הציר הראשי למלה מאונך לציר ההטיה של המיקרוסקופ המאפשר מעקב והתמקדות בגובה האזור המבומם ומונע מהקצוות המלה להגן על שדה הראייה בזוויות הטיה גבוהות. בעת איסוף נתוני cryo-ET באמצעות ערכת המינון-סימטרי,18 המדגם צריך להיות סובב בתחילה במיקרוסקופ כדי לפצות על הטיה של lamella ביחס למישור הרשת.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה Instruct-Ultra (גרנט 731005), iNEXT-Discovery (מענק 871037) במימון תוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית, ותשתית המחקר CIISB, מרכז Instruct-ERIC (LM2018127). אנו מכירים בתמיכה שהתקבלה מתרמו פישר סיינטיפיק ברנו.
Agar | Himedia | MB053 | |
Glucose | PENTA | 12020-31000 | |
Glycerol | Merck | G5516-1L | |
ethane | Messer | 1007 | |
LN2 | Lineq | LN2-1L | |
Peptone | Merck | P5905-1KG | |
Saccharomyces cerevisiae | ATCC | 201388 | strain BY4741 |
Tweezers | Dumont | T539 | |
Yeast extract | Duchefa Biochemie | Y1333.1000 | |
Disposable | |||
Blotting papers | Ted Pella | 47000-10 | |
C-clip | ThermoScientific | 9432 909 97551 | |
C-clip ring | ThermoScientific | 9432 909 97561 | |
Spreading sticks | Merck | Z376779-1PAK | |
Sterile inoculation loops | BRAND | BR452201-1000EA | |
Sterile plastic Petri dishes | Sigma | SIAL0166 | |
TEM grids | Quantifoil | 4420G-XA | |
Equipment | |||
Autoclave | Systec | 101291545 | |
balances | BEL | M124A | |
Cryo-FIB/SEM microscope | ThermoScientific | 1006123 | |
Cryo-TEM microscope | ThermoScientific | 9432 057 03301 | |
Laminar flow box | Telstar | AH5 | |
Plasma cleaner | Gatan | 955.82001 | |
Shaking incubator | New Brunswick | M1282-0002 | |
UV/VIS spectrophotometer | WPA | S800 | |
Vitrification robot | ThermoScientific | 9432 053 50621 |