推进液体和冰中病毒组件的高分辨率成像

摘要

这里描述了使用透射电子显微镜制备适用于纳米级液体电镜和冷冻电镜分析的病毒组件的协议。

摘要

近年来，人们对液电子显微镜（liquid-EM）的兴趣激增，因为科学家现在可以观察纳米级的实时过程。将高分辨率冷冻电镜信息与动态观察相结合是非常理想的，因为许多事件发生在快速的时间尺度上 - 在毫秒范围内或更快。提高对柔性结构的了解也有助于设计新型试剂来对抗新出现的病原体，例如SARS-CoV-2。更重要的是，在流体环境中观察生物材料可以对它们在人体中的表现进行独特的一瞥。这里介绍的是新开发的方法，用于研究液体和玻璃冰中病毒组装的纳米级特性。为了实现这一目标，使用定义明确的样本作为模型系统。并排比较了样品制备方法和代表性结构信息。显示了在~3.5-Å-10 Å范围内解析的结构的亚纳米特征。支持这一互补框架的其他最新结果包括候选疫苗和液体成像的基于抗体的疗法的动态见解。总体而言，这些相关应用提高了我们可视化分子动力学的能力，为它们在人类健康和疾病的使用提供了独特的背景。

引言

生物医学研究通过开发新技术提高了我们对人类健康和疾病的了解。高分辨率成像正在改变我们对纳米世界的看法 - 使我们能够以精致的细节研究细胞和分子¹，²，³，^4，5。动态组件（如软聚合物、蛋白质组装或人类病毒）的静态信息仅揭示了其复杂叙述的有限快照。为了更好地了解分子实体如何运作，必须共同研究它们的结构和功能。

原子薄石墨烯或硅基微芯片等材料生产的最新进展为使用透射电子显微镜（TEM）进行实时结构函数分析提供了新的机会。这些材料可以创建用于实时EM成像的密封室⁶，^7，8，⁹，^10，11。液电镜的新领域，室温与冷冻电镜相关，提供了溶液中硬质或软质材料的前所未有的视图，使科学家能够同时研究其样品的结构和动力学。液体电镜应用包括治疗性纳米颗粒与癌症干细胞相互作用的实时记录，以及病毒病原体¹²，^13，14分子复杂性的变化。

正如方法学的进步刺激了冷冻电镜领域的分辨率革命一样，需要新的技术和方法来扩展液电镜作为科学界高通量工具的使用。本文介绍的方法的总体目标是简化液电镜样品制备方案。所开发技术背后的基本原理是采用新的微芯片设计和自动加载器设备，适用于液体和冷冻电镜数据收集（图1）⁷，¹⁴，¹⁵，^16，17。组件使用自动化仪器的标准网格夹进行机械密封，例如 Krios，每个会话可容纳多个样品或 F200C TEM（图 2）。这种方法将高分辨率成像的使用扩展到标准冷冻电镜应用之外，展示了实时材料分析的更广泛用途。

在当前的视频文章中，介绍了在有或没有市售标本支架的情况下在液体中制备病毒组件的实验方案。使用用于液电镜的专用试样支架，薄液体试样可以提供与冷冻电镜样品相当的结构信息，以及试样的动态见解。还展示了使用自动进样器工具制备液体标本的方法，用于高通量常规。与其他技术相比，自动化样品生产的主要优点是允许用户在数据收集之前快速评估样品的最佳厚度和电子剂量。这种筛选技术可快速识别液体或冰¹²，^14，18，19中实时记录的理想区域。出于 3D 结构测定的目的，液电镜可以补充冷冻电镜中实施的长期建立的冷冻电镜方法。采用传统TEM或冷冻电镜技术的读者可以考虑使用液电镜工作流程，以补充其当前策略的方式提供新的样品动态观察结果。

本协议中使用的病毒样品包括作为礼物获得并在标准条件下培养的纯化的腺相关病毒亚型3（AAV）¹²。还使用了从COVID-19患者血清中提取的非传染性SARS CoV-2亚病毒组件¹²，并从商业来源获得。最后，从维克森林大学的Sarah M. McDonald Esstman博士的实验室获得纯化的猿猴轮状病毒（SA11菌株）双层颗粒（DLP），并使用标准条件 ^6，17进行培养。此处描述的软件包是免费提供的，链接已在 "材料表 "部分中提供。

研究方案

1. 装载液体电磁的试样支架

1. 通过将每个芯片在 150 mL 丙酮中孵育 2 分钟，然后在 150 mL 甲醇中孵育 2 分钟来清洁氮化硅 （SiN） 微芯片。让芯片在层流气流中干燥。
2. 使用辉光放电仪器使用辉光放电仪器清洁干燥的芯片，使用氩气在 30 W、15 mA 的标准条件下运行 45 秒。
3. 将干燥的基础微芯片装入样品支架的尖端。向基础芯片中加入 ~0.2 μL 样品（在 50 mM HEPES、pH 7.5、150 mM NaCl、10 mM MgCl 2、10 mM CaCl₂ 中加入 0.2-1 mg/mL 病毒组装体）。在孵育步骤1-2分钟后，将顶部芯片放在含有样品的湿基芯片上。
4. 将组件夹在一起以形成一个密封的外壳，由三个黄铜螺钉机械固定到位。密封组件后，使用涡轮泵干泵站将尖端泵送到 ^10-6 Torr。支架现在已准备好插入 TEM。
   注意:选择支架没有冷却功能，不用于冷冻电镜。

2. 微芯片夹层组件的生产

注意:不同的SiN或二氧化硅（SiO）微芯片可以直接从发货的凝胶包中使用。碳涂层金网格也可以直接使用。

1. 使用辉光放电仪器使用辉光放电仪器清洁微芯片和碳网格，使用氩气在 30 W、15 mA 的标准条件下运行 45 秒。
2. 加入 ~2 μL 包含在 50 mM HEPES 中的样品，pH 7.5;150毫米氯化钠;10毫米氯化镁₂;将10 mM CaCl₂到放置在凝胶包上的发光放电微芯片中。使用滤纸或移液器去除多余的溶液（~50%）。在孵育步骤1-2分钟后，将发光放电的碳网格添加到含有样品的湿微芯片中。
3. 在室温下使用单倾斜试样支架或自动加载器网格夹将组件夹紧在一起，以形成密封的外壳。对于自动装载机夹具，将夹层组件放在底部 C 形夹上，将顶部夹子放在组件顶部，并使用标准夹紧工具将组件密封在一起。
   注意:此处执行的夹紧程序使用与冷冻电镜网格夹紧相同的步骤，但在室温下。夹紧的样品可以在成像前储存 2 个月或更长时间，同时将液体保持在外壳中。室温试样架或自动进样器不使用泄漏检查。
4. 试样现在已准备好插入TEM。检查在低温条件下或室温下放置在自动进样器中的样品。

3. 使用透射电子显微镜对标本进行成像

1. 液电镜成像
   1. 将试样支架装入配备场发射枪 （FEG） 并在 200 kV 下运行的 TEM 中。
   2. 打开喷枪，使用摆动功能调整显微镜载物台相对于样品的共心高度，将色谱柱中的样品从-15°倾斜到+15°。此过程在Z方向上调整载物台以适应样品厚度。并有助于确保图像记录期间的准确放大倍率。
   3. 使用与像素间距为6μm的直接检测器集成的 原位 封装将图像记录为长帧电影（视频1和 视频2）。单个图像也可以使用串行数据收集软件包²⁰进行记录，实现自动成像例程。在低剂量条件下以 28，000x-92，000x 和每秒 40 帧的放大倍率采集图像。
   4. 调整曝光时间（0.25-1秒）以尽量减少光束对标本的损坏。在指定放大倍率下使用-1-4μm的散焦范围。如果遇到厚溶液，请使用更高的散焦值或选择不同的感兴趣区域。
   5. 通过将电子束聚焦在不用于数据收集的牺牲区域上，确保溶液在整个成像过程中存在于样品中，直到形成气泡（补充图1）。
2. 冷冻电镜成像
   1. 将夹紧的电磁网格或微芯片三明治装入配备 FEG 并在 300 kV 下运行的 TEM 中。打开喷枪并调整显微镜载物台的共心高度，使用上述液体透射电镜描述的类似程序（步骤3.1.2）。
   2. 使用集成在显微镜系统中的单颗粒分析系统记录单个图像，同时实施自动成像程序。使用单颗粒分析直接电子检测器在低剂量条件下记录图像，其像素间距为14μm，放大倍率为59，000倍，每秒40帧。
   3. 在指定放大倍率下使用1-4μm的散焦范围。如果遇到厚厚的玻璃质冰层，请使用更高的散焦值，或选择不同的区域进行数据收集。

4. 数据分析和三维结构比较

1. 液体和玻璃体冰中腺相关病毒（AAV）的分析
   1. 使用RELION-3.08程序²¹ 或其他图像处理软件²²处理液体和冰中AAV颗粒的电影。使用 MotionCor2 v1.2.3 执行运动校正。
   2. 更正后，使用程序软件包中的自动拾取工具提取颗粒。液体标本的典型框尺寸为 330 像素，冰标本的典型框尺寸为 350 像素。
   3. 使用程序的 3D 初始模型例程和/或数据处理软件包中的 从头模型 选项，使用 C1 对称性计算初始重建。在程序中，对液体试样使用 T = 4 的正则化参数和 1.01 Å 的像素大小，对冰标本使用 1.13 Å。
   4. 在整个细化过程中使用 300 Å 的掩码值。使用 I1 对称性在数据处理软件中执行细化协议，以获得多个 EM 映射。预期的结构分辨率可能在 4 Å 或更高的范围内。使用粒子等价实现二十面体对称性，液体为 16，800，冰^{12，14 为 15，}240。
      注意:分辨率估计基于黄金标准傅里叶壳相关 （FSC） 标准。
   5. 在~250 Å处掩蔽EM图，并使用分子结构分析软件包^23，24检查结果。 在图3中，切片以~5 nm的增量显示。
   6. 从EM图中提取衣壳蛋白（VP1）亚基进行比较。根据粒径测量值量化EM结构之间的动态变化（补充图2），然后使用软件中的形态图功能进行可视化。
2. 液体中SARS-CoV-2亚病毒组装体的分析
   1. 使用 RELION-3.08 程序处理影片。使用 MotionCor2 v1.2.3 校正图像漂移和光束感应运动。校正显微镜的对比度传递函数（CTF）。
   2. 使用程序中的自动拾取工具选择框大小为 800 像素的病毒组件。为了提高计算效率，提取的粒子可以重新缩放为 256 像素。在程序中使用 C1 对称性获得初始模型，正则化参数为 T = 2，像素大小为 1.66 Å。
   3. 在程序中执行 3D 细化以获得 EM 映射，根据标准 FSC 标准，示例显示在 ~8.25 Å 处（图 4）。使用分子结构分析软件可视化EM图，切片在25 nm处递增，如图 4所示。
3. 玻璃体冰中轮状病毒双层颗粒（DLP）的分析
   1. 使用其他图像处理软件处理轮状病毒 DLP 的电影。使用 MotionCor2 v1.2.3 校正图像中的漂移。使用贴片 CTF 估计来校正图像上的镜头效应。
   2. 使用软件中的自动拾取工具提取颗粒，框大小为 950 像素。根据需要对盒子大小进行下采样，以便进行计算。
   3. 使用 从头选项 和 C1 对称性计算初始模型。使用细化参数，包括像素大小为 1.47 Å 和遮罩值 800 Å。
   4. 执行额外的细化例程，同时施加 I1 对称性。示例结果包括根据黄金标准FSC标准的10.15 Å EM图。使用的总颗粒为 2050 个，由于二十面体对称运算符，相当于 123，000 个原型单位（图 5）。
   5. 在 ~750 Å 处屏蔽最终图，并在分子结构分析软件包中可视化结果。通过EM图的示例切片如图 5 所示，增量为~10 nm。

结果

所有液电镜成像实验均使用工作在200 kV的液电镜，工作电压为300 kV的冷冻电镜用于所有冷冻电镜数据收集。展示了多种病毒的代表性图像和结构，以证明这些方法在各种测试对象中的实用性。这些包括重组腺相关病毒亚型 3 （AAV）、源自患者血清的 SARS-CoV-2 亚病毒组件以及猿轮状病毒双层颗粒 （DLP）、SA11 菌株。首先，演示在液体缓冲溶液（50 mM HEPES，pH 7.5;150 mM NaCl;10 mM MgCl₂;10 mM CaCl_2<...

讨论

通过使用从冷冻电镜领域改编的新的自动化工具和技术，为简化当前的液电镜工作流程提供了新的机会。与其他方法相比，涉及新的微芯片夹层技术的应用具有重要意义，因为它们能够在液体或玻璃体冰中进行高分辨率成像分析。该协议中最关键的步骤之一是生产具有理想液体厚度的标本，以可视化纳米级的精美细节。在实施高通量例程进行自动数据收集之前，通过筛选整个样品，以较低的放大?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetone	Fisher Scientific	A11-1	1 Liter
Autoloader clipping tool	ThermoFisher Scientific	N/A	Also SubAngstrom supplier
Autoloader grid clips	ThermoFisher Scientific	N/A	top and bottom clips
Carbon-coated gold EM grids	Electron Microcopy Sciences	CF400-AU-50	400-mesh, 5-nm thickness
COVID-19 patient serum	RayBiotech	CoV-Pos-S-500	500 microliters of PCR+ serum
Methanol	Fisher Scientific	A412-1	1 Liter
Microwell-integrad microchips	Protochips, Inc.	EPB-42A1-10	10x10-mm window arrays
TEMWindows microchips	Simpore Inc.	SN100-A10Q33B	9 large windows, 10-nn thick
TEMWindows microchips	Simpore, Inc.	SN100-A05Q33A	9 small windows, 5-nm thick
Top microchips	Protochips, Inc.	EPT-50W	500 mm x 100 mm window
Whatman #1 filter paper	Whatman	1001 090	100 pieces, 90 mm
Equipment
DirectView direct electron detector	Direct Electron		6-micron pixel spacing
Falcon 3 EC direct electron detector	ThermoFisher Scientific		14-micron pixel spacing
Gatan 655 Dry pump station	Gatan, Inc.		Pump holder tip to 10-6 range
Mark IV Vitrobot	ThermoFisher Scientific		state-of-the-art specimen preparation unit
PELCO easiGlow, glow discharge unit	Ted Pella, Inc.		Negative polarity mode
Poseidon Select specimen holder	Protochips, Inc.		FEI compatible;specimen holder
Talos F200C TEM	ThermoFisher Scientific		200 kV; Liquid-TEM
Titan Krios G3	ThermoFisher Scientific		300 kV; Cryo-TEM
Freely available software	Website link		Comments (optional)
cryoSPARC	https://cryosparc.com/		other image processing software
CTFFIND4	https://grigoriefflab.umassmed.edu/ctffind4		CTF finding program
MotionCorr2	https://emcore.ucsf.edu/ucsf-software
RELION	https://www3.mrc-lmb.cam.ac.uk/relion/index.php?title=Main_Page
SerialEM	https://bio3d.colorado.edu/SerialEM/
UCSF Chimera	https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/		molecular structure analysis software package