I. Подготовка бактериальные культуры клеток
- Расти бактериальных клеток в нормальном СМИ желаемой фазы в несколько культуральной жидкости мл. Если более высокая концентрация необходима, прядения и ресуспендирования в свежих средств массовой информации могут быть приняты, но не забывайте, что этот процесс иногда вводит структурные изменения в клетках.
- Проверьте в световой микроскоп, чтобы убедиться, культура свободна от загрязняющих веществ и на соответствующем слияния.
- Некоторые бактериальные клетки могут палку или даже растут на EM сеток. При выращивании клеток на сетках, золотой сетки с углеродом пальто чаще всего используется, чтобы избежать токсичности для клеток. Они должны быть выписан свечение в течение 2 минут, стерилизовать под ультрафиолетовым светом в течение 15 минут, и помещается непосредственно в культуральной жидкости. Приверженец клетки естественно придерживаться сетки, а другие могут быть предложено присоединиться к сетке покрытия сетки в 0,1% поли-L-лизин в первую очередь. Проверьте сеток в световой микроскоп первых, чтобы убедиться, концентрации клеток уместно перед замораживанием.
II. Окунитесь замораживания тонких клеток
Для тонких бактериальных клеток, подвеской интактных клеток окунуться замороженных через сетку EM. Процесс сохраняет ультра-структуры клетки бактерий и предотвращает испарение воды в глубоком вакууме ЭМ позже. Это может быть сделано либо с изготовленными на заказ устройства окунуться замораживание, или как мы показываем здесь, с коммерческой автоматического морозильник окунуться, FEI Vitrobot MKIII 4.
- Тлеющий разряд углерода покрытием EM сетки для 2 - 4 минут. Это делает поверхность сетки гидрофильные, помогая тем самым равномерное распределение образца по всей сетке.
- Смешайте 100 мкл коллоидный раствор золота (частицы диаметром 10 нм) с 25 мкл 5% концентрированного раствора BSA. BSA пальто частицы золота, и это препятствует их агрегации.
- Центрифуга BSA и золотые частицы в смеси 18000g в течение 15 минут. После удаления надосадочной, оставшиеся золотые гранулы смешивают с 20 мкл раствора клетки. BSA лечение золотые частицы не взаимодействуют с клетками, но они будут необходимы в качестве исходных точек маркеров для реконструкции томограммы.
- Применить 4 мкл клеток и смеси золота решение свечение выписан EM сетки в Vitrobot при 100% влажности. Сетка затем автоматически уничтожены с обеих сторон Nr 1 фильтровальной бумаги. Это удаляет лишнюю жидкость, так что только тонкий слой клеток в средствах массовой информации остается. Сетка затем погрузился быстро в жидкую смесь этана и пропана, которая охлаждается примерно до 77 с жидким азотом. Во время этого процесса образец замороженной так быстро, что образование кристаллов льда не имеет возможности в тонких пленках <1 мкм.
- Осторожно снимите сетку из этан / пропан смеси и быстро перенести в окно сетку хранения данных, которая находится под жидким азотом.
III. Высокая Замораживание давления и секционирования Cryo толстые клетки
Для более толстых клетки, высокая замерзания давления снижает льда кристаллизации и последующих срезов крио предоставляет образцы достаточно тонкий для EM изображений. 5, 6, 7 Есть много различных держателей образца для замораживания высоких давлений, ваш выбор будет зависеть от того образца, типа замораживания машины используются или следственных выбранной программы. Здесь мы используем Бал-Tec HPM 010 высоким давлением морозильник и крио ультра микротома модель UC6/FC6 от Leica Microsystems.
- Для бактерий, 15mls счетчик культуры OD> 0,5 берется непосредственно из 37 ° C инкубатора и центрифугировали при 1000rpm в течение 3 минут. После удаления надосадочной, смешать 0,5 мл остальные культуры гранул с 0,5 мл 20% криопротектора декстран, а затем центрифуге при 13000rpm течение 15 секунд.
- После удаления надосадочной, пипетки 0,1 мл из супер гранул вставить в термосварного микропипетки кончик, который уже содержит 0,2 мл 20% декстран cryoprotecant (40000Mwt). Центрифуга смеси в микропипетки наконечник при 13000 оборотов в минуту в течение 30 секунд и удалите супернатант. 5-10 мкл жесткие гранулы замечен в запечатанном чаевые.
- "Тефлоновый" покрыты медными куполами Планше готовы установлен в высокой руке морозильник держатель давление получает пасту в одной половине куполом и запечатывается с плоской шляпкой латуни партнера.
- Рука сборка затем быстро вставляется в загрунтовать высоким давлением готовы морозильник для замораживания.
- В 2100 бар давлением комбинированной установки Планше латунь содержащая клетки быстро охлаждается струей высокого давления жидкого азота, снимая руку сборки мгновенно и погрузиться в ванну с жидким азотом, предотвращает Планше от потепления.
- Планше единицы хранятся в жидком азоте до необходимого для крио-срезов.
- Чтобы разоблачить хорошо замороженное купол клетки для секционирования, два planchets латуни тщательно отделить недеформированнойт жидкого азота.
- Прекрасно замороженных купол клеток стеклообразных по внешнему виду, без трещин и трещин льда нуклеации.
- Это Планше передается предварительно охлажденном -170 ° C камеры и надежно закреплен на крио-микротома вице-подобный патрон.
- Охлаждением cryomicrotome содержит эфирные cryotools необходимые для секционирования, к ним относятся: низкий угол крио-алмаз нож, алмазный инструмент обрезки, нажмите платформы, коробка сетки хранения, антистатик-спрей устройства и сетки проведение аппарата.
- Для успешной лентой секционирования внешней области купола первоначально форму до <0,2 мм квадрат алмаз обрезки инструмента и быстрой скоростью секционирования, сохраняя при ~ 200 мкм глубина и замороженных периметру.
- С антистатические аэрозоли, направленных на низких ножом угол и меди поддержки сетки в непосредственной близости, нож алмаз тщательно подошел к полированной лице блока готовят к секционирования.
- Микротом параметры выбираются, такие как настройка разделе толщиной от 50 до 350 нм, а также скорости резания ~ 0.4mm/sec и узкое окно резки. Важно контролировать антистатические спектр распыления и интенсивности условиях низкой влажности воздуха в непосредственной близости.
- В качестве первого раздела производится тонкой аппликатор ресница перемещаются с помощью рук или микроманипулятора поймать предыдущих разделах соскальзывания низким углом алмаза лезвие ножа.
- Хотя лента секций вынуждены отказаться от ножа, они нежно поддерживают ресниц зонд и руководствуясь через поддержку медную сетку рядом.
- Чтобы придерживаться разделов, сетку загружается с лентами, затем плотно прижимается использованием охлажденной полированного серебра зонд, некоторые разделы так высоко заряженных последние антистатических устройствах может помочь в спаечный процесс.
- Сетка ящики хранятся в течение длительного хранения в жидком азоте охлаждением сухим грузоотправителя до микроскоп готов к сетке передаче.
IV. Изучение клеток с использованием микроскопа Cryo Света
Бактериальные клетки на сетке могут быть отображены использованием микроскопа крио света (cryoLM). Микроскоп мы используем здесь обычай Nikon инвертированным микроскопом Ti E / B с удлиненным рабочим расстоянием (ELWD) 60x воздуха объектив. Сетки находятся в стадии крио во время съемки, которая представляет собой модифицированную FEI крб для светового микроскопа. Использование поиска сетке, клетки могут располагаться на сетке квадратов и cryoLM изображений быть соотнесена с cryoEM томограммы.
- Нагрузка сетки в патроны на крио-станции. Картриджи пользовательские изменения от наших стандартных картриджей для EM FEI TF30H-Polara. Сетка удерживается кольцами медного клипа. Картридж затем хранится в трубке в жидком азоте для передачи.
- Прохладный этапе крио до температуры жидкого азота (-190 ° C).
- Нагрузка картридж в стадии крио и переместить сетку в окне просмотра. Этапе может вместить до двух пользовательских изменение картриджей.
- Нижний конденсатор линз и сосредоточиться 60x объектив на сетке.
- Найти клетки и получать изображения. Для коррелировали Л. М. и Е. М. исследование, сетка сканируется в районе клеток, для определения местонахождения клетки позже в EM.
- После визуализации сетки, положите картридж обратно в трубу и держать трубку в жидком азоте до готовности для включения в образ в EM.
В. Сбор Tilt серии в Cryo TEM
Для получения 3D томограмму бактериальной клетки, серия проекции изображения взяты в то время как образец постепенно наклонена по одной или двум осям в крио ПЭМ. С учетом угла наклона и других экспериментальных условиях, Есть несколько различных программное обеспечение для автоматического сбора наклона серии. Мы используем для наших Leginon крио ТЕМ который FEI TF30H-Polara. Он позволяет автоматически принимать наклона серии предварительно клетки 8.
- Загрузите патроны в множественный выбор держателя (МСГ) на предварительно охлажденном станции крио. MSH может вместить до 6 патронов.
- Подключение к MSH TF30H-Polara, выбрать один патрон и вставить его в колонке EM.
- Начало Leginon-клиент на компьютер и Е. М. Leginon основной программы на другие станции.
- Настройка предустановок (изображение условий) для Leginon сессии. Важными параметрами являются увеличение, фокус под значение, электрон дозы и углов наклона для наклона серии, включая начальный угол, конечный угол и шагом.
- Выберите целей на изображения, начиная с самого низкого увеличения и отправить их на следующий шаг с большим увеличением.
- Очередь все цели наклона серии сбор и представить все из них в финал "томографии" шаг.
- Процесс сбора данных можно контролировать через веб-инструмент из локальной рабочей станции.
- После экспериментального сбора данных не будет сделано, внизнагрузки завершены наклона серии на локальной рабочей станции на реконструкцию.
VI. Биобезопасности соображений
Большинство биологических образцов, с которыми мы работаем не являются патогенными и были выделены из почвы, водопроводную воду или кишечника насекомых. Основные асептики достаточно для обработки этих образцов. Работа с возбудителями требует осуществления дополнительных мер безопасности, однако для экстремальных опасностей, некоторые лаборатории установили всей крио-ЭМ микроскопы в BSL-3 лаборатории. Ниже приводятся некоторые способы, которыми мы снизили риск работы с патогенами в нашей лаборатории.
- Патогенность образец может быть ослаблен ни химически, ни генетически. Многие лаборатории делают крио-ЭМ вирусов инактивированной их с химическими фиксаторов до окунуться заморозки. В качестве альтернативы, ключевые мутации могут быть введены, которые делают образцы неинфекционных, включая, например, инактивации точечные мутации в определенных ферментов или выбивания рецепторов.
- Средства индивидуальной защиты, такие как перчатки, лабораторный халат и защитные очки нужно носить.
- Опасных проб могут быть обработаны в кабинет биобезопасности (BSC). Бактериальных культур можно выращивать, сконцентрированы, и даже окунуться заморозки на EM сеток в BSC. У нас есть меньше, ручной окунуться заморозки устройство, которое вписывается в нашу BSC для этой цели. Если большую последовательность предлагаемых автоматического окунуться-морозильники необходимы, они могут быть либо введены в BSC, или, проще говоря, в некоторых случаях мы поддержали промокательной прокладки нашего Vitrobot с алюминиевой фольгой, чтобы предотвратить загрязнение устройства. При работе с BSC, так как многие из инструментов и материалов, а возможно будет в или из шкафа следует дезинфицировать с 70% этанола. При подготовке нашей сети, мы используем небольшие объемы бактериальной или вирусной культуры (обычно 4 мкл), большинство из которых получает уничтожены на ватмане. Промокательной бумаги, наконечники, а остальные культуры уничтожены как биологически опасные отходы. Все инструменты и открытые поверхности дезинфицируют разбавленной хлорной извести, 95% этанола и воды.
- После сетки заморожены, они хранятся при температуре жидкого азота всей коллекции хранения и управления данными. Было показано, что клетки могут выжить замораживания и оттаивания, то, хотя, так что мы продолжаем относиться к ним как опасные всей коллекции хранения и управления данными. В конце сбора данных, баллончиков, содержащих замороженные сетки удаляются из крио-TEM и упал прямо в 70% спирте. Хотя редко, следует отметить, что иногда сетки "упал" в столбце, а последствия такого мероприятия должно быть предусмотрено для каждого опасного образца. Большинство микроскопа при комнатной температуре, поэтому пробы на сетку упал, скорее всего, оттепели в колонну и стали полностью высушенный в сверхвысоком вакууме ЭМ. Это, очевидно, инактивирует некоторые биологические образцы, но, возможно, не надежная вирусов и сухие остатки образцов потенциально могут быть выпущены в виде аэрозолей, когда микроскоп колонке рядом открыт для обслуживания.
VII. Томограммы реконструкции
Томограммы бактериальные клетки восстанавливаются с помощью программного обеспечения. Есть несколько программное обеспечение, доступное для этой работы. Мы используем Raptor для автоматической реконструкции и скрининга томограммы. 9 Как автоматическое выравнивание серии наклона и последующей реконструкции является нетривиальной задачей, Raptor настоящее время не имеет 100% успеха. В случае отказа или Raptor необходимость обеспечения высокого качества реконструкции, мы используем ручной выравнивания изображений и реконструкции с eTomo в комплект программного обеспечения томографии IMOD. 10, 11
- Скачать каждой отдельной серии наклона от локальный веб-сервер Leginon. Сохранить их в каталог, где они легко могут быть расположены.
- Вручную проверять наклона серии использовании 3dmod зрителя IMOD и отбросить те, когда Leginon не удалось отслеживания цели или производить полезную серии наклона.
- Бежим Raptor распределены по Linux машин в лабораторию через Персик (Перл-системы для распределять задачи по сети). Мы определяем размер нашей доверительное маркеры, т.е. коллоидных частиц золота, количество маркеров, которые будут использоваться для реконструкции, пиксел размера, нужной толщины реконструкции, биннинга фактор и ряд основных параметров (таких как вход, Выход пути и формат вывода) в командной строке и оставить его работать, как правило, 20 минут до 2 часов для 122-изображений набора данных (2k на 2k). Если вы согласны с реконструкцией результате, ступени ниже в этом разделе, могут быть пропущены.
- При ручной реконструкция необходима, переименовывать файлы из папки ". MRC" до ". Го" и загрузить отдельные серии наклона в eTomo GUI в свите томографии IMOD.
- Укажите наклона оси серии типа (с одним или двумя осями) и введите координатных размеров используются в саmple подготовки. Сканирование заголовка файла, чтобы определить размер пикселя, и перейти, нажав кнопку "Создать Com скрипты".
- Следуйте инструкциям каждой вкладки в eTomo GUI для реконструкции томограммы от наклона серии. Проверьте и убедитесь, результат после каждого шага, а если не устраивает, всегда можно вернуться к любой предыдущий шаг и перерабатывать оттуда. "Предварительная обработка" является проведение подготовительных обработки и удаления аномально высокой интенсивности пикселей вызванных Х-лучами. "Грубое выравнивание» выпускает серию наклона которой каждое последующее изображение проекции в серии наклона выравнивается по предыдущей перекрестной корреляции. Мы определяем которые золотым бисером для использования в качестве fiducials в "Исходные поколения модели", и программа отслеживает доверительное маркеры в каждой проекции изображения и строит «Изобразительное Выравнивание". "Томограмма Позиционирование" позволяет обрезка томограммы в Z. "Окончательное неприсоединения Стек" создан с помощью линейной интерполяции, а также такие функции, как CTF-коррекция, Gold-ластик и 2D-фильтрации может быть применен дополнительно. Томограмма рассчитывается в "Создать томограмму" с помощью взвешенных обратно-проекции в фурье-пространстве. "Пост-обработка" позволяет обрезки томограмма на XY-области интереса и масштабирование контрастность в диапазоне от структур интерес, и "Очистить" удаляет промежуточные файлы и освобождает место на диске.
VIII. Хранение Томограммы в Базе Данных
Мы используем веб-внутренние базы данных для организации, хранения, поиска и распространения томографических данных. Для каждого наклона серии, мы можем записать образец детали, параметры микроскопа коллекции, сырье серии наклона, а также связанного 3D-реконструкция и других файлов обработки. Главная страница просматривают представляет эскиз и признакам "YouTube", как фильм для каждого томограмма, и записи могут быть организованы скачать частоты, создатель, типа образца или дате. Пользователи могут искать базу данных, введя ключевые слова или особенностей. В настоящее время более 4500 томографических наклона серии будут сданы на хранение в базе данных, охватывающих почти 60 видов видов / образец, при этом в общей сложности более 11 000 связанных с ними файлов.
IX. Анализ и сегментация Томограммы
- Детали строения томограммы можно просмотреть и проанализировать с помощью различного программного обеспечения обработки изображений с инструментами, например 3dmod зрителя IMOD с ZAP, XYZ и среза окна.
- Следующим шагом является создание сегментация 3D-изображения (томограмма). Сегментация присваивает каждому воксела (объемных пикселей) 3D-изображение этикетке описания в каком регионе или материал воксела принадлежит, например, мембраны или цитоскелета. Мы используем программные инструменты, такие как 3dmod в IMOD и Амира (Visage Imaging).
- Хотя некоторые программные средства обеспечивают автоматическую сегментацию модулей (например, порог сегментации), они часто работают только для изображений с высоким контрастом. 3D изображения основе низких доз электронно cryotomography такой низкой контрастностью, что в большинстве случаев нам приходится вручную назначить метку каждого воксела.
- Сегментация хранится в отдельном файле данных. Он может быть использован для создания поверхности модели, в которой каждый регион показан с другим цветом и просмотреть в 3D.
- Томограммах могут быть использованы для других видов анализа. Например, соответствующий шаблон и последующего расчета может дать статистическую информацию о макромолекулярных комплекса, таких как рибосомы. Подтома выравнивание и усреднение показывает структур в более высокую контрастность и раскрывает тонкости.
X. Создание фильмов основанных на томограммах
Мы делаем фильмы для обобщения каждому проекту и дать визуальную экскурсию по нашей томографических изображений.
- Сделать сценарий особенности в данных, которые мы хотели бы показать и как сделать эти функции. Например, в типичном фильме цельноклеточная томографии проекта, мы начинаем, показывая репрезентативные данные серии наклона и затем следовать с ломтиком-на-фрагментного зрения реконструированные томограммы. Далее, мы показываем сегментации ключевых макромолекул в клетку, например, жгутиковых двигателя или хеморецепторов сложных или цитозольного нити. Наконец, мы заключаем с модель, показывающая идеализированные интерпретации макромолекул мы изучаем.
- Графика представление программы, такие как Амира или Химера использовать для визуализации отдельных кадры из фильма. Мы обычно собирают фильмы из коротких клипов для облегчения изменения каждого клипа.
- Использование коммерческого кино программное обеспечение для редактирования, такие как Adobe Premiere собрать кадры в видеоклипов, а затем видеоклипов в финальный ролик.
- Мы начали добавлять аудио трек, который повествует фильм. Повествование действует как "фильм легенда» и позволяет зрителям сосредоточиться на данные, представленные во время просмотра фильма.
XI. Анимация
Визуальныйповествование сообщает знания, не требуя комплекс словарь конкретных научных областях. Трудные понятия становятся простыми в сопровождении наглядной демонстрации. Практика иллюстрирующие биологические идеи с карикатурами, не нова. Однако только в последнее десятилетие, сложные инструменты профессиональных 3D создания контента было пущено в ход на себя задачу построения научных анимации. Есть в настоящее время десятки исследователей активно переводить биологических системах на динамические 3D анимации. Много красивых анимаций продемонстрированы на http://MolecularMovies.org . Этот сайт также содержит учебные пособия и раздает бесплатный набор инструментов для работы с молекулярными структурами в Autodesk Maya. С открытым исходным кодом 3D-контента для новобрачных, Blender, содержит несколько пользователями PDB импортеров.
Процесс создания 3D-анимации обычно включает в себя три этапа:
- Моделирование: Мы используем графики представления программного обеспечения на экспорт поверхностей в форматах, которые можно импортировать в Maya. Эти поверхности являются либо сегментации из реконструированных томограммы, например, мембран, гранулы, или нитей, или представления молекулярных поверхностей. Томограмма сегментации осуществляется в Amira; молекулярных поверхностей генерируются в Химера или VMD. Атомная представлениям молекулы могут быть импортированы непосредственно в Maya из PDB-файлов. Как только модели в Maya, они могут быть изменены, скопированы, и позиционируется как это необходимо.
- Анимация: Анимация традиционно построенный вручную, с художником вручную перемещения подвижных объектов и записи ряда ключевых кадров. Новые достижения в области 3D графического программного обеспечения в настоящее время позволяют динамики, которые будут созданы процедурно, с помощью встроенных модулей и сценариев API.
- Оказание: Процедурные динамика может предоставить убедительные анимации динамических биологических процессов, таких как структурные самостоятельной сборки. Однако из-за трудностей реалистично моделирования биологических систем, большинство 3D-анимации по-прежнему построен с использованием традиционных методов ключевым кадром. После динамики в порядке, визуальные аннотации, текстур и эффектов освещения могут быть добавлены. Наконец, камера путь избрал и завершили анимации осуществляется с помощью кино.