Name: in situ tem of biological assemblies in liquid
Uploaded: 2013-12-30T20:00:00
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Los autores reconocen al Dr. Michael J. Friedlander, Director del Virginia Tech Carilion Research Institute por alentar nuestros esfuerzos de investigación. Este proyecto fue apoyado por fondos de desarrollo para S.M.M y D.F.K. y en parte por la iniciativa Nano-Bio del Instituto de Tecnología Crítica y Ciencia Aplicada de Virginia Tech.

1. Preparar dispositivos de captura de afinidad16
<ol><li>Limpie los E-chips de nitruro de silicio incubando en 15 ml de acetona durante 2 min seguidos de 15 ml de metanol durante 2 min(Figura 1A). Deje que las virutas se sequen bajo el flujo de aire laminar.</li>
	<li>Incube las virutas secas en una placa de agitación calentada (sin agitar) durante 1,5 horas a 150 °C, luego déjenlas enfriar a temperatura ambiente antes de usarlas.</li>
	<li>Utilice jerin...

<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>

En nuestro trabajo presentado, empleamos el acercamiento de la captura de la afinidad a la correa rotavirus DLPs a una plataforma microfluidic. Esto permitió la proyección de imagen in situ de complejos macromoleculares en un microambiente líquido. El enfoque de captura es significativo con respecto a otras técnicas de imagen microfluídicas porque localiza especímenes biológicos a la ventana de imágenes para negar los grandes problemas difusivos que surgen al grabar imágenes en líquido....

Un objetivo común de los biólogos e ingenieros es comprender el funcionamiento interno de las máquinas moleculares. Los microscopios electrónicos de transmisión (TEMs) son instrumentos ideales para visualizar estos intrincados detalles a una resolución casi atómica1-2. Con el fin de sostener el sistema de alto vacío de un TEM, las muestras biológicas se incrustan típicamente en películas delgadas de hielo vítreo3,azúcares4,sales de metales pesados5,o alguna combinación de las mismas6. Como resultado, las imágenes de especímenes incrustados pueden revelar sólo instantáneas limitadas de procesos dinámicos.
Los primeros intentos de mantener las muestras biológicas hidratadas en cámaras líquidas ambientales fueron llevados a cabo por Parsons y sus colegas utilizando etapas de bombeo diferencial. Los patrones de difracción de electrones de cristales de catalasa no manchados se registraron con éxito a una resolución de 3 Å en un estado hidratado7-8. Además, los dominios lipídicos separados por fases podrían examinarse en membranas hidratadas de eritrocitos humanos9-10. Sin embargo, el movimiento causado por la difusión de líquido y su interferencia con el haz de electrones, dio lugar a una severa pérdida de resolución y otros experimentos con especímenes biológicos no se intentaron hasta hace poco.
Se han introducido soportes de muestras microfluídicas recientemente desarrollados que utilizan microchips semiconductores para formar una cámara ambiental microescala. Estos dispositivos pueden mantener las muestras en líquido mientras se colocan en una columna TEM11-12. Este avance técnico en la imagen TEM ha permitido a los investigadores ver, por primera vez, eventos progresivos a nivel molecular13. Nos referimos a esta nueva modalidad como "microscopía molecularin situ" ya que los experimentos ahora se pueden realizar "dentro" de la columna EM14-15. El objetivo general de este método es obtener imágenes de ensamblajes biológicos en líquido para observar sus comportamientos dinámicos a resolución nanométrica. La razón detrás de la técnica desarrollada es registrar observaciones en tiempo real y examinar las nuevas propiedades de la maquinaria biológica en solución. Esta metodología amplía el uso de los TEM para fines más amplios en biología celular y molecular12-16.
En el artículo de video actual, presentamos un protocolo completo para ensamblar y usar un soporte de muestra microfluídico disponible comercialmente. Estos soportes especializados utilizan microchips de nitruro de silicio producidos con espaciadores integrados para formar una cámara líquida que encierra volúmenes minúsculos de solución. Las ventanas delgadas y transparentes se graban en los microchips con fines de imagen12. Se demuestra el uso adecuado de un soporte microfluídico para examinar las partículas de doble capa de rotavirus simios (DLPs) en líquido utilizando un TEM. Para garantizar que los ensamblajes biológicos, como los DLPs, no se difundan rápidamente a grandes distancias durante la obtención de imágenes, empleamos el enfoque affinity capture para atarlos a la superficie de la cámara microfluídica16. Este paso de captura molecular tiene una gran ventaja sobre las técnicas alternativas para la obtención de imágenes de especímenes biológicos en líquido, ya que permite la adquisición de imágenes que se utilizarán para las rutinas de procesamiento aguas abajo. Este paso de captura utilizado en conjunción con imágenes microfluídicas es exclusivo de nuestros procedimientos17. Los lectores que emplean aplicaciones de biología estructural utilizando TEM o cámaras de imágenes microfluídicas pueden considerar el uso de técnicas de captura de afinidad cuando las observaciones dinámicas a nivel molecular son el objetivo final.

<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

Los investigadores utilizan regularmente microscopios electrónicos de transmisión (MEE) para examinar las entidades biológicas y evaluar nuevos materiales. Aquí, describimos una aplicación adicional para estos instrumentos: ver conjuntos virales en un ambiente líquido. Este método emocionante y novedoso de visualizar estructuras biológicas utiliza un soporte de espécimen a base de microfluídicos recientemente desarrollado. Nuestro artículo en video demuestra cómo ensamblar y usar un soporte microfluídico para obtener imágenes de especímenes líquidos dentro de un TEM. En particular, utilizamos partículas de doble capa (DLPs) de rotavirus simios como nuestro sistema modelo. También se describen los pasos para recubrir la superficie de la cámara líquida con biopelículas de afinidad que atar DLPs a la ventana de visualización. Esto nos permite obtener imágenes de ensamblajes de una manera que es adecuada para la determinación de la estructura 3D. Por lo tanto, presentamos una primera visión de partículas subvirales en un ambiente líquido nativo.

Las imágenes representativas de DLPs en líquido utilizando E-chips que fueron descargados por resplandor (Figura 3A) muestran menos DLPs en un área de visualización dada, presumiblemente debido a la difusión, en comparación con los DLPs que se enriquecen en dispositivos affinity capture (Figura 3B). La adición de formiato de uranilo en la cámara de imágenes mejora el contraste de la muestra y, por lo tanto, la visibilidad de los DLPs individuales en solución(Figura 3C,<...

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In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

In situ TEM de Ensamblajes Biológicos en Líquido

Aquí describimos un procedimiento para obtener imágenes de complejos virales en líquido a resolución nanométrica utilizando un microscopio electrónico de transmisión.

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