At se med elektroner:forskere baner vejen til mere overkommelig og tilgængelig cryo-EM

Visualisering af virussens struktur, proteiner og andre små biomolekyler kan hjælpe forskere med at få dybere indsigt i, hvordan disse molekyler fungerer, potentielt fører til nye behandlinger for sygdom. I de seneste år, en kraftfuld teknologi kaldet kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM), hvor flashfrosne prøver er indlejret i glaslignende is og sonderet af en elektronstråle, har revolutioneret billeddannelse af biomolekyler. Imidlertid, de mikroskoper, som teknikken bygger på, er uhyre dyre og komplicerede at bruge, hvilket gør dem utilgængelige for mange forskere.

Nu, forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har udviklet et billigere og mere brugervenligt kryo-elektronmikroskop, som i sidste ende kunne bringe cryo-EM inden for rækkevidde af tusinder af laboratorier.

I en seksårig byggeproces, teamet byggede mikroskopet ved at tilføje en ny billeddannelsesfunktion til et scanningselektronmikroskop. De brugte hybridmikroskopet til at se tre forskellige biomolekyler:to tydeligt formede vira og et regnormeprotein.

"At bygge dette mikroskop var en lang og udfordrende proces, så vi er begejstrede for dens resultater indtil videre, "sagde Dr. Hidehito Adaniya, en forsker i Quantum Wave Microscopy (QWM) -enheden og medforfatter af undersøgelsen, udgivet i Ultramikroskopi . "Udover at være billigere og enklere at bruge, vores mikroskop bruger elektroner med lav energi som potentielt kan forbedre kontrasten i billederne. "

I øjeblikket, cryo-EM virker ved at affyre elektroner med høj energi på en biologisk prøve. Elektronerne interagerer med atomer i biomolekylet og spredes, ændre deres retning. De spredte elektroner rammer derefter detektorer, og det specifikke spredningsmønster bruges til at opbygge et billede af prøven.

Men ved høje energier, kun et relativt lille antal af disse spredningshændelser opstår, fordi elektronerne interagerer meget svagt med atomerne i prøven, når de suser forbi.

"Biomolekyler består overvejende af grundstoffer med en lav atommasse, såsom kulstof, nitrogen, brint og ilt, "forklarede medforfatter og forsker, Dr. Martin Cheung. "Disse lettere elementer er praktisk talt usynlige for højhastighedselektroner."

I modsætning, elektroner med lav energi rejser langsommere og interagerer stærkere med de lettere elementer, skabe hyppigere spredningshændelser.

Denne stærke vekselvirkning mellem lavenergi-elektroner og lettere elementer er udfordrende at udnytte, imidlertid, fordi islaget omkring prøven også spreder elektroner, skabe baggrundsstøj, der maskerer biomolekylerne. For at overvinde dette problem, forskerne tilpassede mikroskopet, så det kunne skifte til en anden billedteknik:kryo-elektronholografi.

Danner hologrammet

I holografisk tilstand, en elektronpistol affyrer en stråle af lavenergi-elektroner mod prøven, så en del af elektronstrålen passerer gennem isen og prøven, danner en objektbølge, mens den anden del af elektronstrålen kun passerer gennem isen, danner en referencebølge. De to dele af elektronstrålen interagerer derefter med hinanden, som kolliderende krusninger i en dam, skaber et tydeligt interferensmønster - hologrammet.

Baseret på hologrammets interferensmønster, detektorerne kan skelne spredning ved prøven fra spredning ved isfilmen. Forskere kan også sammenligne de to dele af strålen for at få ekstra information fra elektronerne, som er svære at opdage ved hjælp af konventionel cryo-EM.

"Elektronholografi giver os to forskellige former for information-amplitude og fase-hvorimod konventionelle kryo-elektronmikroskopiteknikker kun kan detektere fase, "sagde Dr. Adaniya. Disse tilføjede oplysninger kunne give forskere mulighed for at få mere viden om prøvens struktur, forklarede han.

Et gennembrud i tynd is

Ud over at bygge hybridmikroskopet, forskerne måtte også optimere prøveforberedelsen. Da elektroner med lav energi er mere tilbøjelige til at blive spredt af isen end elektroner med høj energi, isfilmen, der omsluttede prøven, skulle være så tynd som muligt for at maksimere signalet. Forskerne brugte flager af hydreret grafenoxid til at holde biomolekylerne på plads, gør det muligt at danne tyndere isfilm.

Forskerne måtte også tage særlige skridt for at forhindre dannelse af krystallinsk is, som er "dårlige nyheder til cryo-EM-billeddannelse, "Sagde Cheung.

Med den nuværende opsætning og optimerede prøver, mikroskopet producerede billeder med en opløsning på op til et par nanometer, som forskerne erkender er langt lavere end den næsten atomopløsning, der opnås ved konventionel cryo-EM.

Men selv med den nuværende beslutning, mikroskopet udfylder stadig en vigtig niche som et præ-screening mikroskop. "Fordi lavenergi-elektronerne interagerer så stærkt med isen, vores billigere og brugervenlige mikroskop kan hjælpe forskere med at måle deres iskvalitet, inden de bruger værdifuld tid og penge ved hjælp af konventionelle cryo-EM-mikroskoper, "sagde Dr. Adaniya.

Hele processen er hurtig og enkel, siger forskerne. SEM/STEM -tilstand hjælper forskere med at finde det bedste sted til billeddannelse, efterfulgt af en problemfri overgang til den holografiske tilstand. Hvad mere er, muligheden for, at denne mode-switch-teknologi kan implementeres i andre kommercielle scanningselektronmikroskoper, gør det til en vidt anvendelig billeddannelsesmetode.

I fremtiden, teamet håber at forbedre billedopløsningen yderligere, ved at ændre elektronpistolen til en, der skaber en elektronstråle af højere kvalitet. "Det vil være det næste skridt fremad, " de sagde.