Name: in situ tem of biological assemblies in liquid
Uploaded: 2013-12-30T20:00:00
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Die Autoren würdigen Dr. Michael J. Friedlander, Direktor des Virginia Tech Carilion Research Institute für die Förderung unserer Forschungsbemühungen. Dieses Projekt wurde durch Entwicklungsgelder an S.M.M und D.F.K. und teilweise durch die Nano-Bio-Initiative des Institute for Critical Technology and Applied Science bei Virginia Tech unterstützt.

1. Vorbereiten von Affinity Capture-Geräten16
<ol><li>Reinigen Sie die Siliziumnitrid-E-Chips, indem Sie sie in 15 ml Aceton für 2 min, gefolgt von 15 ml Methanol für 2 min(Abbildung 1A). Lassen Sie Diesunter laminarem Luftstrom trocknen.</li>
	<li>Die getrockneten Späne auf einer erhitzten Rührplatte (ohne Rühren) 1,5 Stunden bei 150 °C inkubieren und vor Gebrauch auf Raumtemperatur abkühlen lassen.</li>
	<li>Verwenden Sie Hamilton-Spritzen, um Lipi...

<ol>
	<li>Zhou, Z. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+atomic+resolution+structural+determination+by+single-particle+cryo-electron+microscopy.">Towards atomic resolution structural determination by single-particle cryo-electron microscopy.</a> Curr. Opin. Struct. Biol. 18, 218-228 (2008).</li><li>Wolf, M., Garcea, R. L., Grigorieff, N., Harrison, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subunit+interactions+in+bovine+papillomavirus.">Subunit interactions in bovine papillomavirus.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 6298-6303 (2010).</li><li>Dubochet, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-electron+microscopy+of+vitrified+specimens.">Cryo-electron microscopy of vitrified specimens.</a> Q. Rev. Biophys. 21, 129-228 (1988).</li><li>Unwin, P. N., Henderson, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+structure+determination+by+electron+microscopy+of+unstained+crystalline+specimens.">Molecular structure determination by electron microscopy of unstained crystalline specimens.</a> J. Mol. Biol. 94, 425-440 (1975).</li><li>Ohi, M., Li, Y., Cheng, Y., Walz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Negative Staining and Image Classification - Powerful Tools in Modern Electron Microscopy. Biol. Proced. Online. 6, 23-34 (2004).</li><li>Adrian, M., Dubochet, J., Fuller, S. D., Harris, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-negative+staining.">Cryo-negative staining.</a> Micron. 29, 145-160 (1998).</li><li>Parsons, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+of+wet+specimens+in+electron+microscopy.+Improved+environmental+chambers+make+it+possible+to+examine+wet+specimens+easily.">Structure of wet specimens in electron microscopy. Improved environmental chambers make it possible to examine wet specimens easily.</a> Science. 186, 407-414 (1974).</li><li>Parsons, D. F., Matricardi, V. R., Moretz, R. C., Turner, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+and+diffraction+of+wet+unstained+and+unfixed+biological+objects.">Electron microscopy and diffraction of wet unstained and unfixed biological objects.</a> Adv. Biol. Med. Phys. 15, 161-270 (1974).</li><li>Hui, S. W., Parsons, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+diffraction+of+wet+biological+membranes.">Electron diffraction of wet biological membranes.</a> Science. 184, 77-78 (1974).</li><li>Hui, S. W., Parsons, D. F., Cowden, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+diffraction+of+wet+phospholipid+bilayers.">Electron diffraction of wet phospholipid bilayers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 71, 5068-5072 (1974).</li><li>Ring, E. A., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+system+for+transmission+electron+microscopy.">Microfluidic system for transmission electron microscopy.</a> Microsc. Microanal. 16, 622-629 (2010).</li><li>Dukes, M. J., Ramachandra, R., Baudoin, J. P., Gray Jerome, W., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+locations+of+gold-labeled+proteins+in+a+whole+mount+eukaryotic+cell+obtained+with+3nm+precision+using+aberration-corrected+scanning+transmission+electron+microscopy.">Three-dimensional locations of gold-labeled proteins in a whole mount eukaryotic cell obtained with 3nm precision using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy.</a> J. Struct. Biol. 174, 552-562 (2011).</li><li>Yuk, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+EM+of+colloidal+nanocrystal+growth+using+graphene+liquid+cells.">High-resolution EM of colloidal nanocrystal growth using graphene liquid cells.</a> Science. 336, 61-64 (2012).</li><li>Peckys, D. B., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+gold+nanoparticle+uptake+in+live+cells+with+liquid+scanning+transmission+electron+microscopy.">Visualizing gold nanoparticle uptake in live cells with liquid scanning transmission electron microscopy.</a> Nano Lett. 11, 1733-1738 (2011).</li><li>Klein, K. L., Anderson, I. M., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+electron+microscopy+with+a+liquid+flow+cell.">Transmission electron microscopy with a liquid flow cell.</a> J. Microsc. 242, 117-123 (2011).</li><li>Degen, K., Dukes, M., Tanner, J. R., Kelly, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+of+affinity+capture+devices-a+nanoscale+purification+platform+for+biological+in+situ+transmission+electron+microscopy.">The development of affinity capture devices-a nanoscale purification platform for biological in situ transmission electron microscopy.</a> Rsc. Adv. 2, 2408-2412 (2012).</li><li>Gilmore, B. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+viral+assemblies+in+a+nanoscale+biosphere.">Visualizing viral assemblies in a nanoscale biosphere.</a> Lab Chip. 13, 216-219 (2013).</li><li>Bican, P., Cohen, J., Charpilienne, A., Scherrer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Purification+and+characterization+of+bovine+rotavirus+cores.">Purification and characterization of bovine rotavirus cores.</a> J. Virol. 43, 1113-1117 (1982).</li><li>Frank, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SPIDER+and+WEB:+processing+and+visualization+of+images+in+3D+electron+microscopy+and+related+fields.">SPIDER and WEB: processing and visualization of images in 3D electron microscopy and related fields.</a> J. Struct. Biol. 116, 190-199 (1996).</li><li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-atomic+resolution+using+electron+cryomicroscopy+and+single-particle+reconstruction.">Near-atomic resolution using electron cryomicroscopy and single-particle reconstruction.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 1867-1872 (2008).</li><li>Scheres, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Bayesian+view+on+cryo-EM+structure+determination.">A Bayesian view on cryo-EM structure determination.</a> J. Mol. Biol. 415, 406-418 (2012).</li><li>Kelly, D. F., Abeyrathne, P. D., Dukovski, D., Walz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Affinity+Grid:+a+pre-fabricated+EM+grid+for+monolayer+purification.">The Affinity Grid: a pre-fabricated EM grid for monolayer purification.</a> J. Mol. Biol. 382, 423-433 (2008).</li></ol>

In unserer vorgestellten Arbeit haben wir den Affinitätserfassungsansatz verwendet, um dlPs mit Rotavirus auf eine mikrofluidische Plattform zu bringen. Dies ermöglichte die In-situ-Bildgebung makromolekularer Komplexe in einer flüssigen Mikroumgebung. Der Erfassungsansatz ist im Vergleich zu anderen mikrofluidischen Bildgebungsverfahren von Bedeutung, da er biologische Proben in das Bildgebungsfenster lokalisiert, um große diffusive Probleme zu negieren, die bei der Aufnahme von Bildern in F...

Ein gemeinsames Ziel von Biologen und Ingenieuren ist es, das Innenleben molekularer Maschinen zu verstehen. Transmission Electron Microscopes (TEMs) sind ideale Instrumente, um diese komplizierten Details mit nahezu atomarer Auflösung1-2zu visualisieren. Um das Hochvakuumsystem eines TEM aufrecht zu erhalten, sind biologische Proben typischerweise in dünne Folien aus Glaseis3, Zucker4, Schwermetallsalze5oder eine Kombination davon6eingebettet. Daher können Bilder eingebetteter Proben nur begrenzte Momentaufnahmen dynamischer Prozesse zeigen.
Erste Versuche, biologische Proben in Flüssigkammern der Umwelt hydratisiert zu halten, wurden von Parsons und Kollegen mit Differentialpumpstufen unternommen. Elektronenbeugungsmuster von ungefärbten Kataalasekristallen wurden erfolgreich mit einer Auflösung von 3 ° in einem hydratisierten Zustand7-8aufgezeichnet. Darüber hinaus könnten phasengetrennte Lipiddomänen in hydratisierten Membranen menschlicher Erythrozyten9-10untersucht werden. Bewegungsstörungen durch das Ausstreuen von Flüssigkeit und deren Interferenz mit dem Elektronenstrahl führten jedoch zu einem starken Auflösungsverlust, und weitere Experimente mit biologischen Proben wurden erst vor kurzem versucht.
Neu entwickelte mikrofluidische Probenhalter wurden eingeführt, die Halbleiter-Mikrochips verwenden, um eine mikroskalierte Umweltkammer zu bilden. Diese Geräte können Proben in Flüssigkeit halten, während sie in einerTEM-Säule 11-12positioniert sind. Dieser technische Durchbruch in der TEM-Bildgebung hat es Forschern ermöglicht, zum ersten Mal progressive Ereignisse auf molekularer Ebene13zu sehen. Wir bezeichnen diese neue Modalität als"in situ molekulare Mikroskopie", da Experimente nun "innerhalb" derEM-Säule 14-15durchgeführt werden können. Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, biologische Baugruppen in Flüssigkeit abzubilden, um ihr dynamisches Verhalten bei Nanometerauflösung zu beobachten. Der Grund gedanke hinter der entwickelten Technik ist es, Echtzeitbeobachtungen aufzuzeichnen und neue Eigenschaften biologischer Maschinen in Lösung zu untersuchen. Diese Methode erweitert die Verwendung von TEMs für breitere Zwecke in der Zell- und Molekularbiologie12-16.
Im aktuellen Videoartikel stellen wir ein umfassendes Protokoll zur Montage und Verwendung eines handelsüblichen mikrofluidischen Probenhalters vor. Diese spezialisierten Halter verwenden Siliziumnitrid-Mikrochips, die mit integrierten Abstandshaltern hergestellt werden, um eine flüssige Kammer zu bilden, die winzige Lösungsvolumina umschließt. Dünne, transparente Fenster werden zu Bildgebungszwecken in die Mikrochips eingeätzt12. Wir zeigen die ordnungsgemäße Verwendung eines mikrofluidischen Halters zur Untersuchung von simianrotavirus double-layered particles (DLPs) in Flüssigkeit mit einem TEM. Um sicherzustellen, dass biologische Baugruppen, wie z. B. DLPs, während der Bildgebung nicht schnell über große Entfernungen diffundieren, verwenden wir den Affinity Capture-Ansatz, um sie an die Oberfläche der mikrofluidischen Kammer16zu fesseln. Dieser molekulare Erfassungsschritt hat einen großen Vorteil gegenüber alternativen Verfahren zur Abbildung biologischer Proben in Flüssigkeit, da er die Erfassung von Bildern ermöglicht, die für nachgelagerte Verarbeitungsroutinen verwendet werden. Dieser Erfassungsschritt in Verbindung mit mikrofluidischer Bildgebung ist einzigartig in unseren Verfahren17. Leser, die strukturbiologische Anwendungen mit TEM oder mikrofluidischen Bildgebungskammern verwenden, können den Einsatz von Affinitätserfassungstechniken in Betracht ziehen, wenn dynamische Beobachtungen auf molekularer Ebene das Endziel sind.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="832">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:237px;">E-chips, spacer chip</td>
			<td style="width:183px;">Protochips, Inc.</td>
			<td style="width:245px;">EPB-52TBD</td>
			<td style="width:167px;">400 &#956;m x 50 &#956;m window</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:237px;">E-chip, top chip</td>
			<td style="width:183px;">Protochips, Inc.</td>
			<td style="width:245px;">EPT-45W</td>
			<td style="width:167px;">400 &#956;m x 50 &#956;m window</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Ni-NTA lipid</td>
			<td style="width:183px;">Avanti Polar Lipids</td>
			<td style="width:245px;">790404P</td>
			<td style="width:167px;">Powder form</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">DLPC (12:0) lipid</td>
			<td style="width:183px;">Avanti Polar Lipids</td>
			<td style="width:245px;">850335P</td>
			<td style="width:167px;">Powder form</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Volumetric flasks&#160;</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:245px;">20-812A; 20-812C</td>
			<td style="width:167px;">1 ml; 5 ml&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Hamilton Syringes</td>
			<td style="width:183px;">Hamilton Co.</td>
			<td style="width:245px;">80300, 80400</td>
			<td style="width:167px;">1-10 &#956;l; 1-25 &#956;l</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Whatman #1 filter paper</td>
			<td style="width:183px;">Whatman</td>
			<td style="width:245px;">1001 090</td>
			<td style="width:167px;">100 pieces, 90 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Glass Petri dishes</td>
			<td style="width:183px;">Corning&#160;</td>
			<td style="width:245px;">70165-101</td>
			<td style="width:167px;">100 mm x 15 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Glass Pasteur pipettes</td>
			<td style="width:183px;">VWR</td>
			<td style="width:245px;">14673-010</td>
			<td style="width:167px;">14673-010</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Glass culture tubes</td>
			<td style="width:183px;">VWR</td>
			<td style="width:245px;">47729-566</td>
			<td style="width:167px;">6 mm x 50 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Acetone</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:245px;">&#160;A11-1</td>
			<td style="width:167px;">1 L</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Methanol</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:245px;">&#160;A412-1</td>
			<td style="width:167px;">1 L</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:237px;">Chloroform&#160;</td>
			<td style="width:183px;">Electron Microcopy Sciences</td>
			<td style="width:245px;">12550</td>
			<td style="width:167px;">100 ml&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:237px;">His-tagged Protein A</td>
			<td style="width:183px;">Abcam, Inc.</td>
			<td style="width:245px;">ab52953</td>
			<td style="width:167px;">10 mg</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:237px;">Milli-Q water system</td>
			<td style="width:183px;">EMD Millipore Corp.</td>
			<td style="width:245px;">Z00QSV001</td>
			<td style="width:167px;">Ultrapure Water</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:237px;">HEPES</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:245px;">BP310-500</td>
			<td style="width:167px;">500 g</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:237px;">Equipment&#160;</td>
			<td style="width:183px;"></td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:237px;">Poseidon In situ specimen holder</td>
			<td style="width:183px;">Protochips, Inc.</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>&#160;FEI compatible</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:237px;">FEI Spirit BioTwin TEM</td>
			<td style="width:183px;">FEI Co.</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>120 kV</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:237px;">Eagle 2k HS CCD camera</td>
			<td style="width:183px;">FEI Co.</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>10&#160;&#197;/pixel sampling at 30,000X</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:237px;">Gatan 655 Dry pump station</td>
			<td style="width:183px;">Gatan, Inc.</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>Pump holder tip to 10-6&#160;range</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:237px;">PELCO easiGlow, glow discharge unit</td>
			<td style="width:183px;">Ted Pella, Inc.</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>&#160;Negative polarity mode</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:237px;">Isotemp heated stir plate</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td>Heat to 150 &#186;C for 1.5 hr</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ tem of biological assemblies in liquid

Die Forscher verwenden regelmäßig Transmission Electron Microscopes (TEMs), um biologische Einheiten zu untersuchen und neue Materialien zu bewerten. Hier beschreiben wir eine zusätzliche Anwendung für diese Instrumente - die Anzeige viraler Baugruppen in einer flüssigen Umgebung. Diese spannende und neuartige Methode zur Visualisierung biologischer Strukturen nutzt einen kürzlich entwickelten mikrofluidischen Probenhalter. Unser Videoartikel zeigt, wie man einen mikrofluidischen Halter zusammenbaut und verwendet, um flüssige Proben innerhalb eines TEM abzubilden. Insbesondere verwenden wir simian Rotavirus Doppelschichtpartikel (DLPs) als Modellsystem. Wir beschreiben auch Schritte, um die Oberfläche der Flüssigkeitskammer mit Affinitätsbiofilmen zu beschichten, die DLPs an das Sichtfenster ankleben. Dies ermöglicht es uns, Baugruppen so abzubilden, dass sie für die 3D-Strukturbestimmung geeignet sind. So präsentieren wir einen ersten Einblick in subvirale Partikel in einer nativen flüssigen Umgebung.

Repräsentative Bilder von DLPs in Flüssigkeit mit E-Chips, die glühend entladen wurden (Abbildung 3A) zeigen weniger DLPs in einem bestimmten Betrachtungsbereich, vermutlich aufgrund der Diffusion, im Vergleich zu DLPs, die auf Affinity Capture-Geräten angereichert sind (Abbildung 3B). Die Zugabe von Uranylformat in der Bildkammer erhöht den Kontrast der Probe und damit die Sichtbarkeit einzelner DLPs in Lösung(Abbildung 3C, oberes Panel). Ein besserer Kontrast erm...

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In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

In situ TEM der biologischen Baugruppen in Flüssig

Hier beschreiben wir ein Verfahren zur Abbildung viraler Komplexe in Flüssigkeit in Nanometerauflösung mit einem Transmissionselektronenmikroskop.

Researchers regularly use Transmission Electron Microscopes (TEMs) to examine biological entities and to assess new materials. Here, we describe an ...

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