Method Article
Пробоподготовка для криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) является существенным узким местом в рабочем процессе определения структуры данного метода. Здесь мы приводим подробные методы использования простого в использовании, трехмерно напечатанного блока для подготовки опорных пленок для стабилизации образцов для передачи ЭМ-исследований.
Определение структуры с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) быстро выросло в последнее десятилетие; однако пробоподготовка остается существенным узким местом. Макромолекулярные образцы идеально визуализируются непосредственно из случайных ориентаций в тонком слое стекловидного льда. Тем не менее, многие образцы невосприимчивы к этому, и денатурация белка на границе раздела воздух-вода является общей проблемой. Чтобы преодолеть такие проблемы, вспомогательные пленки, включая аморфный углерод, графен и оксид графена, могут быть нанесены на сетку, чтобы обеспечить поверхность, которую могут заполнять образцы, уменьшая вероятность частиц, испытывающих вредные эффекты границы раздела воздух-вода. Однако нанесение этих деликатных опор на сетки требует осторожного обращения, чтобы предотвратить поломку, загрязнение воздуха или обширные этапы стирки и очистки. В недавнем отчете описывается разработка простого в использовании флотационного блока, который облегчает смачиваемую передачу опорных пленок непосредственно в образец. Использование блока сводит к минимуму количество необходимых этапов ручного обращения, сохраняя физическую целостность опорной пленки и время, в течение которого может накапливаться гидрофобное загрязнение, гарантируя, что тонкая пленка льда все еще может быть создана. В данной статье представлены пошаговые протоколы подготовки углеродных, графеновых и графенокислых опор для ЭМ-исследований.
За последнее десятилетие прорывы, главным образом в детекторной технологии, но также и в других технических областях, способствовали последовательному существенному увеличению разрешения, при котором биологически значимые системы могут быть визуализированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ)1,2. Несмотря на то, что крио-ЭМ уже позволяет разрешать структуры высокого разрешения всего от 50 мкг белка с помощью анализа одной частицы (SPA), крио-ЭМ образец и подготовка сетки остаются основными узкими местами3,4,5. Образцы SPA состоят из макромолекул, распределенных примерно случайным образом в слое стекловидного льда. Лед должен быть как можно более тонким, чтобы максимизировать разницу контрастов между частицами и растворителем. Биологические макромолекулы более стабильны (то есть с меньшей вероятностью теряют свою родную структуру) в более толстом льду, потому что они остаются лучше сольватированными. Более того, часто обнаруживается, что частицы гораздо лучше распределены по полю зрения во льду, намного толще, чем размер частиц6, и часто могут вообще не находиться в отверстиях в углеродных пленках.
Кроме того, более толстые слои льда уменьшают вероятность того, что молекулы будут близки к границе раздела воздух-вода из-за высокого отношения поверхности к объему, и было подсчитано, что использование стандартных методов погружения-замораживания для крио-ЭМ исследований приводит к адсорбции ~ 90% частиц к границе раздела воздух-вода7. Более толстый лед приводит к нежелательно высокому фону из-за увеличения событий рассеяния внутри растворителя и сопутствующего затухания сигнала6,7. Поэтому необходимо добиться как можно более тонкого слоя стекловидного льда; в идеале слой должен быть лишь немного толще частицы. Задача исследователя, которая должна быть преодолена для каждого отдельного образца, нанесенного на сетку, заключается в том, чтобы подготовить образцы, достаточно тонкие для высококонтрастной визуализации, сохраняя при этом структурную целостность частиц в их образце. Адсорбция белка к границе раздела воздух-вода сопровождается несколькими, обычно вредными, эффектами.
Во-первых, связывание белков с этим гидрофобным интерфейсом часто вызывает денатурацию белка, которая протекает быстро и, как правило, необратима8,9. Исследование, проведенное с использованием дрожжевой синтазы жирных кислот, показало, что до 90% адсорбированных частиц являются денатурированными10. Во-вторых, данные исследования, сравнивающего распределение ориентации наборов данных рибосом 80S, собранных либо на аморфном углероде11, либо без поддержки12, показали, что граница раздела воздух-вода может вызвать серьезную предпочтительную ориентацию, ставящую под угрозу 3D-реконструкцию объема13. Методы уменьшения взаимодействия частиц с интерфейсом воздух-вода включают дополнение морозильного буфера поверхностно-активными веществами (такими как моющие средства), использование опорных пленок, захват аффинности или строительные леса подложек и ускоренное время погружения. Использование поверхностно-активных веществ связано с собственными проблемами, поскольку некоторые образцы белка могут вести себя неидеально в их присутствии, в то время как субстраты для захвата сродства и строительных лесов обычно требуют инженерных индивидуальных поверхностей сетки и стратегий захвата. Наконец, хотя существует много исследований по разработке быстро погружающихся устройств14,15,16, они требуют оборудования, которое, как правило, не является широко доступным.
Хотя стандартная сетка ТЕА для биологических крио-ЭМ уже имеет перфорированную аморфную углеродную фольгу17, существует ряд протоколов для генерации дополнительных опорных пленок и их передачи в сети ТЕА. Использование этих пленок является давно устоявшимся методом стабилизации образцов18. Аморфные углеродные опоры образуются путем испарения и осаждения на кристаллических листах слюды19, из которых слои могут быть перенесены на сетки, при этом полезность флотационных опор является полезным инструментом, установленным в предыдущих отчетах20. Хлопья оксида графена, обычно приготовленные с использованием модифицированной версии метода Hummers21, использовались в качестве предпочтительной опорной структуры по сравнению с аморфным углеродом для их снижения фонового сигнала, а также способности иммобилизовать и стабилизировать макромолекулы22. В последнее время возрождается интерес к использованию графена в качестве опорной пленки ТЭМ из-за его механической стабильности, высокой проводимости, крайне низкого вклада в фоновый шум23, а также появления воспроизводимых методов генерации макроскопически больших площадей монослойного графена24 и переноса его в сетки ТЭМ25 . По сравнению с аморфным углеродом, который подвергается движениям, вызванным пучком, аналогично или хуже, чем лед, не имеющий опорной пленки11,12,17, графен показал значительное снижение индуцированного пучком движения крио-ЭМ изображений12.
Однако, в то время как гидрофилизированный графен защищал синтазу жирных кислот от межфазной денатурации воздух-вода, авторы этого исследования отметили, что графен загрязнился во время подготовки образца, вероятно, из-за сочетания загрязнения атмосферными углеводородами и реагента, используемого для гидрофилизации решеток10. Действительно, несмотря на многие превосходные качества графена, его широкому использованию по-прежнему препятствует дериватизация, необходимая для снижения его гидрофобности12, что в конечном итоге химически сложно и требует специального оборудования. В настоящем документе описываются протоколы получения аморфных опор для образцов углерода, оксида графена и графена с использованием трехмерного (3D) печатного блока флоатации образца27 для непосредственной передачи опорных пленок с подложек, на которых они были сгенерированы, в сетки ТЕА (рисунок 1). Ключевым преимуществом использования такого устройства является смачиваемая передача пленок, сводя к минимуму гидрофобное загрязнение опор и, следовательно, необходимость дальнейшей обработки, а также уменьшая количество потенциально опасных ручных этапов обработки. Эти подходы являются недорогими в реализации и, следовательно, широко доступны и применимы для крио-ЭМ-исследований, где необходима поддержка образцов.
1. Общая подготовка сетей ТЕА перед передачей поддержки
2. Общее приготовление растворов реагентов
3. Буферный обмен для углеродных опорных пленок на слюде для подготовки отрицательно окрашенных образцов с использованием опорного флотационного блока
4. Применение опорного флотационного блока для приготовления теа-сеток с оксидным покрытием графена
5. Применение опорного флотационного блока для подготовки образцов на монослойно-графеновых пленках
Решетки ТЕА, подготовленные с помощью аморфных углеродных опор, обычно покрываются по всей поверхности сетки. Хотя разрушение углеродной пленки происходит в некоторых случаях вместе с некоторым взъерошиванием (рисунок 2A), большое количество квадратов сетки являются нетронутыми и, следовательно, широко применимы для целей отрицательного окрашивания. Основным фактором, влияющим на целостность опоры, является толщина углерода, которая определяется при испарении углерода. Аналогичным образом, с помощью этого протокола GrOx обычно достигается хорошее покрытие по всей сетке (рисунок 2B). Одного применения суспензии GrOx в течение 1 мин достаточно, чтобы обеспечить несколько участков с несколькими слоями, которые легко увидеть из-за чешуйчатых краев. Сетки GrOx могут быть быстро приготовлены из сырья и обеспечивают высокую защиту образца. Тем не менее, чешуйчатые края, неполное покрытие и взъерошивание чаще видны с сетками GrOx, чем для других методов, из-за природы хлопьев GrOx.
Хотя целостность графеновой опорной пленки, как и аморфного углерода, зависит от процесса осаждения, области, которые хорошо покрыты, отображают характерную дифракционную картину однослойного графена. Важно отметить, что, сохраняя графеновые опорные пленки смачиваемыми, образцы могут быть извлечены из блока флоатации после инкубационного периода, а данные собраны таким образом, чтобы поддаваться анализу на одну частицу. Этот метод не требует какой-либо другой обработки графена для смачивания, тем самым устраняя потребность в дорогостоящем оборудовании для придания графену гидрофильной, и лучше всего готовить опорные пленки незадолго до пробоподготовки и замораживания сетки (рисунок 2C).
Рисунок 1: Конструкция и применение образца блока флоатации во время подготовки опорной пленки. (A) Схема верхнего, колодезного и бокового видов флотационного блока, включая измерения формы, глубины и наклона. Показана канавка для отдыха кончиков пинцета, а также каналы для вставки игл. (B) Аморфные углеродные слои могут легко плавать на поверхности буфера, содержащегося в скважинах флотационного блока, с помощью рампы, т.е. С) Ширина скважин подходит для размещения одной сетки ТЕА, в то время как канавки пинцета уменьшают необходимость неоправданно высвобождать и подбирать сетки на этапах подготовки, но предлагают определенный путь для восстановления сеток без риска изгиба в случае высвобождения сеток. Изображения в B изменены с 27. Аббревиатура: TEM = просвечивающая электронная микроскопия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Типичные примеры образцов опорных пленок, приготовленных с использованием флотационного блока. Квадрат сетки (слева) и изображение (справа) показаны для (А) аморфного углерода, (В) оксида графена и (С) графеновых опорных пленок, приготовленных с использованием блока флотации. Аморфная углеродная опора использовалась при подготовке рибосом 70S для отрицательного окрашивания, тогда как оксид графена и графеновые опоры использовались при подготовке рибосом 70S для крио-ЭМ. Изображения в форматах A и C изменены с 27. Шкала для квадрата сетки A = 10 мкм; шкала для квадратов сетки B и C = 5 мкм; шкалы масштаба для видов изображений A-C = 50 нм. Аббревиатура: крио-ЭМ = криоэлектронная микроскопия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В данной работе представлены протоколы обработки как аморфных углеродных, так и графеновых пленок для крио-ЭМ пробоподготовки с использованием блока флоатации образца27. Файл STL для блока поддержки находится в свободном доступе из общедоступного репозитория Thingiverse [www.thingiverse.com/thing:3440684] и может быть напечатан на 3D-принтере с помощью любого подходящего стереолитографического принтера из подходящей смолы. Использование углеродных пленок, покрывающих сетку ТЕА, обычно включает в себя размещение углерода на образце28. Такой подход к приготовлению отрицательных пятнистых решеток сводит к минимуму воздействие воздуха во время обработки опор, тем самым уменьшая загрязнение и денатурацию белка. Приготовление решеток с использованием плавающего углерода в небольших скважинах выгодно для плавания на большей площади поверхности, т. е. на водяной бане или чашке Петри, и в этом случае механическая стрижка углерода происходит гораздо легче.
UAc может быть трудно приобрести из-за действующих правил охраны труда и техники безопасности на момент публикации. Доступны многие другие широко используемые, нерадиоактивные, отрицательные окрашивающие реагенты, и протоколы их приготовления были описаны ранее29. Хотя альтернативные пятна не использовались с этим блоком поддержки флоатации, маловероятно, что в этих протоколах будут какие-либо различия, кроме оптимизации времени инкубации с образцом (этап 3.5), который уже по своей сути зависит от образца. Ключевым шагом в этом протоколе подготовки поддержки GrOx является шаг 4.4, выделенный примечанием, чтобы предотвратить контакт воды и раствора GrOx по краю сетки. Неправильное смешивание воды и растворов GrOx препятствует однонаправленному оседанию хлопьев GrOx капиллярным действием. Наличие хлопьев GrOx по обе стороны углеродной фольги приводит к образованию толстых слоев, что сводит на нет преимущества использования GrOx в качестве почти однослойной опоры, а также улавливания воды между хлопьями, что вызывает загрязнение пригодных для использования областей дополнительными слоями льда. Подготовка поддержки оксида графена относительно легко достигается с помощью капель раствора на гибкой полиолефиновой пленке. Однако при выполнении таким образом легче случайно загрязнить медную сторону сетки путем неправильного обращения с ошибками; использование флотационного блока снижает вероятность такого развития событий.
Наконец, в этом документе представлен протокол для подготовки покрытых графеном сеток, который позволяет избежать любой предварительной обработки графена, чтобы сделать его гидрофильным, тем самым снижая его стоимость и повышая его доступность. Поддержание смачиваемой пленки на протяжении всей подготовки образца и применение образца in situ в блоке непосредственно перед замораживанием является достаточным для создания подходящих слоев льда для крио-ЭМ с однородным распределением образцов. В целом, протоколы, представленные здесь, сводят к минимуму контакт образца с интерфейсом воздух-вода, тем самым уменьшая денатурацию проб и поддерживая загрязнение. Для трех опорных пленок, используемых в этих подходах, однородное распределение образцов может быть достигнуто по сеткам наряду с визуализацией неповрежденных, хорошо сохранившихся одиночных частиц.
Авторам не известно о каких-либо конфликтах интересов в отношении данной работы.
Авторы хотели бы поблагодарить всех членов Секции структурной и синтетической биологии в Имперском колледже Лондона, которые помогли протестировать эти методы, а также Гарри Барнетта в Имперском колледже Advanced Hackspace и Пола Симпсона в Центре структурной биологии. CHSA поддерживается стипендией сэра Генри Дейла, совместно финансируемой Wellcome Trust и Королевским обществом (206212/Z/17/Z).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Basic Plasma Cleaner (230 V) | Harrick Plasma | PDC-32G-2 | |
Dumont tweezers N5A INOX. | Dumont Swissmade | 0302-N5A-PO | |
Dumont tweezers NGG INOX. | Dumont Swissmade | 0102-NGG-PO | |
Ehtylacetate | Sigma-Aldrich | 270989-250ML | |
Fishing Loops 10 μL | VWR | 612-9353 | |
Graphene Oxide 2 mg/mL | Sigma-Aldrich | 763705-25ML | |
Iron (III) chloride | Sigma-Aldrich | 31232-250MG | |
Mica Sheets 75 mm x 25 mm x 0.15 mm | Agar Scientific | AGG250-1 | We usually coat mica with a target carbon film thickness of 2 nm |
Monolayer Graphene on Cu | Graphenea | N/A | 10 mm x 10 mm, pack of 4 |
n-dodecyl β-D-maltoside (DDM) | GLYCON Biochemicals GmbH | D97002-C | |
Quantifoil R1.2/1.3 300 mesh copper grids | Enzo Life Sciences | JBS-X-101-Cu300 | |
Quantifoil R2/1 300 mesh copper grids | Enzo Life Sciences | JBS-X-102-Cu300 | |
Quantifoil R2/1 300 mesh gold grids | Electron Microscopy Sciences | Q350AR1 | |
Scissors | Agar Scientific | AGT577 | |
Uranyl Acetate | TAAB Laboratories Equipment | U001 | |
Vitrobot Mark IV | FEI | N/A | |
Whatman filter paper 55 mm | GE Healthcare Life Sciences | 1441-055 | |
Whatman filter paper 70 mm | GE Healthcare Life Sciences | 1441-070 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены