Yerinde Sıvıda Biyolojik Montajlar TEM

Özet

Burada, viral kompleksleri bir iletim elektron mikroskobu kullanarak nanometre çözünürlüğünde sıvı olarak görüntüleme prosedürünü açıklıyoruz.

Özet

Araştırmacılar, biyolojik varlıkları incelemek ve yeni malzemeleri değerlendirmek için düzenli olarak İletim Elektron Mikroskoplarını (TEM' ler) kullanırlar. Burada, bu aletler için ek bir uygulama açıklıyoruz - viral montajları sıvı bir ortamda görüntülemek. Biyolojik yapıları görselleştirmenin bu heyecan verici ve yeni yöntemi, yakın zamanda geliştirilen mikroakışkan bazlı bir numune tutucuyu kullanır. Video makalemiz, bir TEM içindeki sıvı örnekleri görüntülemek için bir mikroakışkan tutucunun nasıl birleştirılacağını ve kullanılacağını göstermektedir. Özellikle simian rotavirüs çift katmanlı partikülleri (DLP' ler) model sistemimiz olarak kullanıyoruz. Ayrıca, sıvı odasının yüzeyini GÖRÜNTÜLEME penceresine DLP'leri bağlayan benzeşim biyofilmleri ile kaplama adımlarını da açıklıyoruz. Bu, montajları 3D yapı belirlemeye uygun bir şekilde görüntü oluşturmamızı sağlar. Böylece, doğal bir sıvı ortamda subviral parçacıkların ilk bakışını sunuyoruz.

Giriş

Biyologların ve mühendislerin ortak amacı moleküler makinelerin iç işleyişini anlamaktır. İletim Elektron Mikroskopları (TEM'ler), bu karmaşık ayrıntıları atoma yakın çözünürlük^1-2'degörselleştirmek için ideal araçlardır. Bir TEM'in yüksek vakum sistemini sürdürmek için, biyolojik numuneler tipik olarak vitreus buz 3 ,^şekerler4,ağır metal tuzları⁵veya^6'nınbir kombinasyonunun ince filmlerine gömülür. Sonuç olarak, gömülü örneklerin görüntüleri dinamik süreçlerin yalnızca sınırlı anlık görüntülerini ortaya çıkabilir.

Çevresel sıvı odalarında nemlendirilmiş biyolojik örneklerin korunması için erken girişimler Parsons ve meslektaşları tarafından diferansiyel pompalama aşamaları kullanılarak gerçekleştirilendir. Lekesiz katalaz kristallerinin elektron kırınım desenleri, hidratlı bir durumda 3 şçözünürlüğe başarıyla kaydedildi^7-8. Ek olarak, faza ayrılmış lipit alanları insan eritrositlerinin hidratlı zarlarında incelenebilir^9-10. Bununla birlikte, sıvının yayılmasından ve elektron ışınlarına müdahalesinden kaynaklanan hareket, ciddi çözünürlük kaybına neden oldu ve yakın zamana kadar biyolojik örnekler kullanılarak daha fazla deney yapılmaya çalışılamamıştır.

Mikro ölçekli bir çevre odası oluşturmak için yarı iletken mikroçipleri kullanan yeni geliştirilen mikroakışkan numune tutucular tanıtıldı. Bu cihazlar, numuneleri bir TEM sütunu^11-12'yeyerleştirilmişken sıvı halde muhafaza edebilir. TEM görüntülemedeki bu teknik atılım, araştırmacıların ilk kez moleküler düzeydeki ilerici olayları görüntülemelerini sağladı¹³. Deneyler artık EM sütunu^14-15içinde gerçekleştirilebildiği için bu yeni modaliteyi"yerinde moleküler mikroskopi" olarak adlandırıyoruz. Bu yöntemin genel amacı, nanometre çözünürlüğünde dinamik davranışlarını gözlemlemek için biyolojik montajları sıvı içinde görüntülemektedir. Geliştirilen tekniğin arkasındaki mantık, gerçek zamanlı gözlemleri kaydetmek ve biyolojik makinelerin yeni özelliklerini çözümde incelemektir. Bu metodoloji, hücresel ve moleküler biyolojide daha geniş amaçlar için TEM kullanımını genişletir^12-16.

Mevcut video makalesinde, piyasada bulunan bir mikroakışkan numune tutucuyu birleştirmek ve kullanmak için kapsamlı bir protokol sunuyoruz. Bu özel tutucular, dakika hacimlerini içeren bir sıvı odası oluşturmak için entegre aralayıcılarla üretilen silikon nitrür mikroçiplerini kullanır. İnce, şeffaf pencereler görüntüleme amacıyla mikroçiplere kazınır¹². Bir TEM kullanarak sıvıdaki simian rotavirüs çift katmanlı partikülleri (DLL'ler) incelemek için mikroakışkan tutucunun doğru kullanımını gösteriyoruz. DLP'ler gibi biyolojik montajların görüntüleme sırasında büyük mesafelerde hızla yayılmasına izin vermek için, onları mikroakışkan odanın yüzeyine bağlamak için Benzeşim Yakalama yaklaşımını¹⁶. Bu moleküler yakalama adımı, biyolojik örneklerin sıvı içinde görüntülenmesi için alternatif tekniklere göre büyük bir avantaja sahiptir, çünkü aşağı akış işleme rutinleri için kullanılacak görüntülerin elde edilmesine izin verir. Mikroakışkan görüntüleme ile birlikte kullanılan bu yakalama adımı prosedürlerimize özgüdür¹⁷. TEM veya mikroakışkan görüntüleme odalarını kullanarak yapısal biyoloji uygulamaları kullanan okuyucular, moleküler düzeyde dinamik gözlemler nihai hedef olduğunda benzeşim yakalama tekniklerinin kullanımını düşünebilirler.

Protokol

1. Benzeşim Yakalama Cihazları Hazırlayın¹⁶

1. Silikon nitrür E-çiplerini 2 dakika boyunca 15 ml aseton ve ardından 2 dakika boyunca 15 ml metanol(Şekil 1A)inkübe ederek temizleyin. Talaşların laminer hava akışı altında kurumasına izin verin.
2. Kurutulmuş talaşları 150 °C'de 1,5 saat boyunca ısıtılmış bir karıştırma plakasında (karıştırmadan) kuluçkaya bırakın, ardından kullanmadan önce oda sıcaklığına soğumalarını bekleyin.
3. %25 kloroform içermek için küçük cam tüplerde lipit karışımları oluşturmak için Hamilton şırınnalarını kullanın, Kloroformda %55 DLPC (1,2-dilauroyl-fosfokolin) ve toplam 40 μl hacim için kloroformda (1 mg/ml) %20 Ni-NTA lipid (1,2-dioleoyl-iminodiacetic acid-succinyl-nikel tuzu).
4. Nemli bir Petri kabındaki bir Parafilm parçasına her 15 μl Milli-Q su damlasına karışımın 1 μl'lik bir aliquotunu uygulayın (Şekil 1B). Örnekleri en az 60 dakika boyunca buz üzerinde kuluçkaya yatır.

2. Makromolekülleri Yakalayın¹⁷

1. Monolayer örneğinin üzerine 150 nm entegre ara parça içeren bir E-çip yerleştirin ve 1 dakika kuluçkayayatırın (Şekil 1C).
2. Çipi numuneden yavaşça kaldırın ve oda sıcaklığında 1 dakika boyunca 3 μl'lik bir Protein A. Incubate ekleyin (Şekil 1D).
3. Whatman #1 filtre kağıdını kullanarak fazla damlayı blot ve hemen 3 μl aliquot antikor çözeltisi ekleyin. Oda sıcaklığında 1 dakika kuluçkaya yatır.
4. Bir Hamilton şırıngı kullanarak fazla çözeltiyi çıkarın ve hemen 50 mM HEPES (pH 7.5), 150 mM NaCl, 10 mM MgCl 2 ve 10 mM CaCl₂içeren tampon çözeltiye 1 μl'lik bir rotavirüs DLPs (0.1 mg /ml) ekleyin. Oda sıcaklığında en az 2 dakika kuluçkaya yatır. DLL'lerin hazırlanması daha önce açıklanmıştır¹⁸.

3. Mikroakışkan Hazneyi Monte Edin ve Yerinde Numune Tutucuyu Yükleyin

1. Viral örneği içeren ıslak E-çipi mikroakışkan numune tutucunun ucuna yükleyin. 1 dakika boyunca ikinci bir düz E-çipi kızdırma deşarjı, daha sonra ara parça yongasının üzerine yüklenir(Şekil 2, paneller 1-5).
2. Alternatif olarak, biyolojik makromoleküllerin kontrastını artırmak için, ıslak numuneye ikinci E çipi yerleştirmeden önce ıslak örneklere ağır metal lekesi(örneğin% 0,2 uranil format) eklenebilir. Bununla birlikte, numuneyi içeren E-çipin kontrast reaktifini eklemeden önce Milli-Q suyu ile yıkanması gerekecektir.
3. 3 pirinç vida ile tutucu içinde mekanik olarak tutulan kapalı bir muhafaza oluşturmak için tüm montajı bir araya getirin(Şekil 2, paneller 6-8).
4. Montajdan sonra, tutucuyu TEM içine yerleştirmeden önce turbo pompalı kuru pompa istasyonu kullanılarak tutucunun ucu^{10 -6} Torr'a pompalanır.

4. İletim Elektron Mikroskobu Kullanarak Sıvıda Görüntüleme

1. Yerinde numune tutucuyu LaB₆ filamenti ile donatılmış ve 120 kV'da çalışan bir İletim Elektron Mikroskobuna (FEI Company) yükleyin.
2. TEM filamentini açın ve numuneyi sütunda -15° ila +15° ileri geri eğmek için yalpalama işlevini kullanarak mikroskop aşamasının ösantrik yüksekliğini numuneye göre ayarlayın. Bu prosedür, sıvı haznesinin uygun kalınlığını hesaba katmaya yardımcı olmak için z yönünde aşamayı ayarlar. Bu adım ayrıca görüntüleri kaydederken doğru bir büyütmenin kullanılmasını sağlar.
3. Önce mikroakışkan odanın kenarları boyunca ve köşe bölgelerinde görüntüleri kaydedin. Bu alanlar genellikle en ince çözümü içerir. CCD kamera kullanarak düşük doz koşullarında (1-3 elektron/ş²⁾örneklerin görüntülerini kaydedin. 6.000X - 30.000X nominal büyütme kullanın.
4. Akışkan odanın kenarına odaklanarak uygun defokus değerini belirleyin. Görüntüleri 30.000X büyütmede kaydetmek için -1,5 μm değerini kullanın. Kalın çözelti ile karşılaşılırsa veya numune hazırlanmasında kontrast maddesi kullanılmazsa, -2 ila -4 μm aralığında daha yüksek defokus değerleri kullanın.
5. Deneyler boyunca çözeltinin mikroakışkan haznede bulunduğundan emin olmak için, kabarcıklar cihaz içindeki sıvıda oluşana kadar elektron ışınını odaklayın.

Sonuçlar

Parlama deşarjı yapılan E-çipler kullanılarak sıvıdaki DLL'lerin temsili görüntüleri (Şekil 3A), benzeşim yakalama cihazlarında zenginleştirilmiş DLL'lere kıyasla, muhtemelen difüzyon nedeniyle belirli bir görüntüleme alanında daha az DLL göstermektedir (Şekil 3B). Görüntüleme odasına uranil format eklenmesi, numunenin kontrastını ve dolayısıyla çözeltideki bireysel DLL'lerin görünürlüğünü arttırır(Şekil 3C, üst panel). Daha iy...

Tartışmalar

Sunduğumuz çalışmada, rotavirüs DLP'lerini mikroakışkan bir platforma bağlamaya yönelik benzeşim yakalama yaklaşımını çalıştık. Bu, sıvı bir mikroçevrinde makromoleküler komplekslerin yerinde görüntülenmesini sağladı. Yakalama yaklaşımı, diğer mikroakışkan görüntüleme teknikleri açısından önemlidir, çünkü görüntüleri sıvı olarak kaydederken ortaya çıkan büyük difüzif sorunları reddetmek için biyolojik örnekleri görüntüleme penceresine lok...

Malzemeler

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