就地 液体生物组件的 TEM

摘要

在这里，我们描述了一个程序，用传输电子显微镜以纳米分辨率对液体中的病毒复合物进行成像。

摘要

研究人员定期使用透电电子显微镜（TEM）来检查生物实体和评估新材料。在这里，我们描述了这些仪器的附加应用 - 在液体环境中查看病毒组件。这种令人激动和新颖的生物结构可视化方法利用了最近开发的基于微流体的标本支架。我们的视频文章演示了如何组装和使用微流体支架在 TEM 内对液体标本进行成像。特别是，我们使用模拟轮状病毒双层颗粒 （DLP） 作为我们的模型系统。我们还描述了用亲和力生物膜覆盖液体室表面的步骤，这些生物膜将 DLP 与观看窗口绑在一起。这使我们能够以适合 3D 结构确定的方式对组件进行成像。因此，我们首次在原生液体环境中看到亚病毒粒子。

引言

生物学家和工程师的共同目标是了解分子机器的内部工作。传输电子显微镜 （TEM） 是以近原子分辨率^1-2可视化这些复杂细节的理想仪器。为了维持TEM的高真空系统，生物样本通常嵌入在薄膜的微薄冰^3，糖^4，重金属盐^5，或其中的一些组合^6。因此，嵌入式标本的图像可能只显示动态过程的有限快照。

帕森斯及其同事利用差分泵送阶段，对环境液体室中水合的生物标本进行了早期维护尝试。未染色催化晶体的电子衍射模式在水合状态^7-8中被成功记录到3的分辨率。此外，相分离的脂质域可以在人类红细胞^9-10的水合膜中检查。然而，由于扩散液体及其对电子束的干扰引起的运动导致严重分辨率损失，直到最近才尝试使用生物标本进行进一步实验。

新开发的微流体标本持有者已引进，利用半导体微芯片形成微尺度环境室。这些设备可以在将样品放置在 TEM 列^11-12中时，将样品保持在液体中。TEM成像技术上的这一突破使研究人员首次能够在分子水平¹³上看到渐进事件。我们称这种新模式为"原位 分子显微镜"，因为现在可以在EM列^14-15的"内部"进行实验。该方法的总体目标是在液体中对生物组件进行成像，以便以纳米分辨率观察其动态行为。开发技术背后的理由是记录实时观测，并检查生物机械在溶液中的新特性。这种方法扩展了TEM在细胞和分子生物学^12-16中用于更广泛的目的。

在当前的视频文章中，我们提出了一个全面的协议，以组装和使用市售的微流体标本支架。这些专业支架利用用集成垫片生产的氮化硅微芯片形成一个液体腔室，将微量溶液包围起来。薄而透明的窗户被蚀刻在微芯片中，用于成像目的^12。我们演示了使用微流体支架使用 TEM 检查液体中的模拟轮状病毒双层颗粒 （DLP） 的正确用途。为了确保生物组件（如DLP）在成像时不会在很远的距离上快速扩散，我们采用亲和力捕获方法将它们系在微流体¹⁶的表面。与液体中生物标本成像 的替代技术而言 ，这种分子捕获步骤具有重大优势，因为它允许获取用于下游处理程序的图像。这个捕获步骤与微流体成像相结合，是我们程序¹⁷所独有的。使用 TEM 或微流体成像室使用结构生物学应用程序的读者可能会考虑在分子水平上的动态观测是最终目标时使用亲和力捕获技术。

研究方案

1. 准备亲和力捕获设备¹⁶

1. 清洁氮化硅E芯片，在15毫升乙酮中孵育2分钟，然后用15毫升甲醇2分钟（图1A）。允许芯片在层压气流下干燥。
2. 在加热搅拌板上（不搅拌）上孵化干屑，在 150 °C 下 1.5 小时，然后让它们在使用前冷却到室温。
3. 使用汉密尔顿注射器在小玻璃管中合成脂质混合物，以包含 25% 的氯仿， 55% DLPC （1，2-迪劳罗伊尔-磷胆碱） 在氯仿 （1 毫克/毫升） 和 20% 尼-NTA 脂质 （1，2 - 二恶英 - 二恶英 - 二恶英酸-苏奇尼尔-镍盐） 在氯仿 （1 毫克/毫升） 总容量为 40 μl.
4. 在潮湿的培养皿（图1B）中的一片Parafilm上，在每15微克的米利-Q水上涂抹1μl的混合物。在冰上孵化样品至少60分钟。

2. 捕获巨分子¹⁷

1. 将带有 150 nm 集成垫片的 E 芯片放在单层样品顶部，孵育 1 分钟（图 1C）。
2. 轻轻将芯片从样品中取出，并在室温下加入3μl的蛋白质A.孵化剂，在室温下孵化1分钟（图1D）。
3. 使用 Whatman #1滤纸擦去多余的滴液，并立即添加 3μl 抗体溶液。在室温下孵化1分钟。
4. 使用汉密尔顿注射器去除多余的溶液，并立即在缓冲溶液中加入 1μl 的轮状病毒 DLP （0.1 毫克/毫升），其中包含 50 mM HEPES （pH 7.5）、150 mM NaCl、10 毫克 MgCl₂和 10 mM CaCl₂。在室温下孵化至少2分钟。DLP的编制工作已于18^日进行。

3. 组装微流体室并加载 原位 标本支架

1. 将含有病毒样本的湿 E 芯片加载到微流体标本支架的尖端。发光放电第二个扁平电子芯片1分钟，然后加载在垫片顶部（图2， 面板1-5）。
2. 或者，为了增加生物大分子的对比度，重金属污渍（如0.2%的尿素前体）可以在将第二个电子芯片放在湿标本上之前添加到湿标本中。但是，包含标本的电子芯片在添加对比试剂之前需要用 Milli-Q 水清洗。
3. 将整个装配夹在一起，形成密封的外壳，由 3 个黄铜螺丝（图2，面板 6-8）机械地放在支架内。
4. 组装后，支架的尖端使用涡轮泵干泵站泵至 10^-6 托尔，然后将支架放入 TEM 内。

4. 使用传输电子显微镜进行液体成像

1. 将原位 标本支架装载到配备拉布₆ 灯丝的传输电子显微镜 （FEI 公司）中，并在 120 kV 下运行。
2. 打开 TEM 灯丝，利用摆动器功能将样品从 -15° 来回倾斜至柱子中的 +15° ，从而调整显微镜阶段与标本的中心高度。此过程调整 z 方向的阶段，以帮助考虑液室的适当厚度。此步骤还可确保在录制图像时使用准确的放大倍数。
3. 首先记录沿边缘和微流体室的角落区域的图像。这些区域通常包含最薄的解决方案。使用CCD相机记录低剂量条件下标本的图像（1-3电子^/+2）。使用 6，000X - 30，000X 的名义放大倍数。
4. 通过聚焦在流体室的边缘来确定适当的去菌值。使用 -1.5μm 值以 30，000 倍的放大倍数记录图像。如果遇到厚溶液，或者样品制备中未使用对比剂，请使用 -2 至 -4 μm 范围内的较高除毒素值。
5. 为了确保在整个实验过程中，微流体中都包含溶液，将电子束对焦，直到在设备内的液体中形成气泡。

结果

使用发光释放的电子芯片（图 3A）在液体中使用 DDLP 的代表性图像显示，与在亲和力捕获设备上浓缩的 DDLP相比，在给定观看区域（大概是由于扩散）中的 DLP 较少。在成像室中加入尿素用于增强标本的对比度，从而提高溶液中单个 DLP 的可见性（图 3C，顶部面板）。更好的对比度允许下游图像处理，如粒子平均（图3C，底部面板）和3D重建例程（<...

讨论

在我们的介绍工作中，我们采用亲和力捕获方法将轮状病毒 DLP 系在微流体平台上。这允许在液体微环境下对大分子复合物进行 原位 成像。捕获 方法对于其他微流体成像技术具有重要意义 ，因为它将生物标本定位到成像窗口，以否定在以液体中记录图像时出现的大型扩散问题。然而， 我们协议中最关键的步骤 之一是将脂质生物膜转移到微芯片表面。如果脂质单层...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
E-chips, spacer chip	Protochips, Inc.	EPB-52TBD	400 μm x 50 μm window
E-chip, top chip	Protochips, Inc.	EPT-45W	400 μm x 50 μm window
Ni-NTA lipid	Avanti Polar Lipids	790404P	Powder form
DLPC (12:0) lipid	Avanti Polar Lipids	850335P	Powder form
Volumetric flasks	Fisher Scientific	20-812A; 20-812C	1 ml; 5 ml
Hamilton Syringes	Hamilton Co.	80300, 80400	1-10 μl; 1-25 μl
Whatman #1 filter paper	Whatman	1001 090	100 pieces, 90 mm
Glass Petri dishes	Corning	70165-101	100 mm x 15 mm
Glass Pasteur pipettes	VWR	14673-010	14673-010
Glass culture tubes	VWR	47729-566	6 mm x 50 mm
Acetone	Fisher Scientific	A11-1	1 L
Methanol	Fisher Scientific	A412-1	1 L
Chloroform	Electron Microcopy Sciences	12550	100 ml
His-tagged Protein A	Abcam, Inc.	ab52953	10 mg
Milli-Q water system	EMD Millipore Corp.	Z00QSV001	Ultrapure Water
HEPES	Fisher Scientific	BP310-500	500 g
Equipment
Poseidon In situ specimen holder	Protochips, Inc.		FEI compatible
FEI Spirit BioTwin TEM	FEI Co.		120 kV
Eagle 2k HS CCD camera	FEI Co.		10 Å/pixel sampling at 30,000X
Gatan 655 Dry pump station	Gatan, Inc.		Pump holder tip to 10-6 range
PELCO easiGlow, glow discharge unit	Ted Pella, Inc.		Negative polarity mode
Isotemp heated stir plate	Fisher Scientific		Heat to 150 ºC for 1.5 hr