Fremskridt inden for cryo-EM-materialer kan hjælpe kræft og biomedicinsk forskning

Kryogen-elektronmikroskopi (cryo-EM) har været en spilskifter inden for medicinsk forskning, men underlaget, bruges til at fryse og se prøver under et mikroskop, er ikke kommet meget frem i årtier. Nu, takket være et samarbejde mellem Penn State -forskere og det anvendte videnskabelige selskab Protochips, Inc., dette er ikke længere tilfældet.

"Den traditionelle gittertype har ikke ændret sig meget siden starten af ​​cryo-EM, mens materialevidenskaben har ændret sig meget, "sagde Deb Kelly, professor i biomedicinsk teknik i Penn State og direktør for Center for Strukturel Onkologi (CSO). "Vores hold, sammen med andre kolleger på området, havde ideen om at prøve nye materialer som et middel til at forbedre den nuværende praksis. "

Problemer med traditionelle kulstofgitre med huller omfatter ujævne overflader, når der dannes is hen over nettet, hvilket kræver justering af billedbehandlingsrutiner mange gange; gittermaterialerne ekspanderer ved forskellige termiske hastigheder; og prøvernes fejl i at finde vej ind i gitterhullerne, spilder hvad der ofte er begrænsede prøver.

"Kun at skulle indstille indledende fokusparametre sparer en enorm mængde tid under dataindsamling, "siger Cameron Varano, forskningsassistent i CSO og medlederforfatteren på et nyt papir, der netop er offentliggjort online i tidsskriftet Lille . "Protochips -substraterne er fremstillet af siliciumnitrid, et mere stift materiale end kulstofgitterne, hvilket gør dem mindre tilbøjelige til at have lokale deformiteter. Og brøndene i chipsene kan tilpasses til forskellige istykkelser og applikationer. "

Med de nye underlag, kaldet Cryo-Chips, forskerne har potentiale til at få alle deres data om prøverne på så lidt som en time, i modsætning til hvad der i øjeblikket ville tage dage.

"Denne store tekniske udvikling gør det muligt for os at tackle mere udfordrende spørgsmål, "Siger Varano." Det gør cryo-EM fra en kunst til en videnskab. "

I deres papir, "Cryo-EM-on-a-Chip:Specialdesignede substrater til 3D-analyse af makromolekyler, "forskerne valgte tre casestudier, som denne type billeddannelse kunne være nyttig til. Den første undersøgelse var en sammenligning af kulstofgitteret med huller og Cryo-Chip ved hjælp af rotaviruspartikler, en standardmodel i cryo-EM-undersøgelser på grund af dens store størrelse og symmetriske form. De så større kontrast til Cryo-Chip-substratet, samt mere prøveopbevaring i de brugerdefinerede brønde.

Den anden undersøgelse, ved hjælp af meget mindre og asymmetriske BRCA1 -proteinsamlinger isoleret fra brystkræftceller, viste også forbedret kontrast med stærkere kantgrænser, gør dem til meget bedre kandidater til automatiserede billedbehandlingsrutiner.

"For vores tredje eksempel, vi besluttede at se på noget mere ukendt, og det stammer fra en anden type kræft, P53, fra hjernecancerceller, "Kelly siger." P53 er det mest muterede molekyle i næsten alle kræftformer i hele kroppen. Alligevel har ingen sammensat, hvordan dens fulde 3D-struktur ser ud ved kræft. Ved hjælp af vores nye mikrochip -tilgang, vi var i stand til at se funktioner i disse vigtige p53 -forsamlinger, der giver denne kræft en fordel for overlevelse. "

Kelly og Varano, der begge for nylig flyttede til Penn State fra Virginia Tech, håber på at tage disse biomedicinsk vigtige prøver til det næste niveau som en del af missionen for den nye CSO, del af Huck Institutes of Life Sciences.

"Med det nybyggede mikroskop på University Park campus og Cryo-Chip-værktøjerne i hånden, vi forventer at overføre vores billeddannelsesarbejde fra høj gennemstrømning til intelligent gennemstrømning, "Kelly siger." Det, der virkelig er rart ved vores samarbejde med Protochips, er, at det understreger virksomheden/det akademiske partnerskab. På den måde, vi kan alle vokse sammen. "

Medlederforfatter Nick Alden, var Kellys kandidatstuderende ved Virginia Tech, og han tiltræder ph.d. -uddannelsen i biomedicinsk teknik i Penn State til efteråret. Andre forfattere omfatter William Dearnaley og Maria Solares fra Penn State; Yanping Liang og Zhi Sheng, fra Virginia Tech; Sarah McDonald fra Wake Forest University; og John Damiano, Jennifer McConnell og Madeline Dukes fra Protochips, Inc. William Luqiu, en uddannet senior på Roanoke Valley Governor's School for Science and Technology, deltog også i computerens aspekter af forskningen.