Elektron kryo-mikroskopi:Brug af billig teknologi til at producere billeder i høj opløsning

Biokemikere ved Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) har brugt et standard elektronkryo-mikroskop til at opnå overraskende gode billeder, der er på niveau med dem taget af langt mere sofistikeret udstyr. Det er lykkedes dem at bestemme strukturen af ​​ferritin næsten på atomniveau. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet PLOS ET .

Elektron kryo-mikroskopi er blevet stadig vigtigere i de senere år, især i belysning af proteinstrukturer. Udviklerne af den nye teknologi blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2017. Tricket:prøverne lynfryses og bombarderes derefter med elektroner. I tilfælde af traditionel elektronmikroskopi, alt vandet ekstraheres først fra prøven. Dette er nødvendigt, fordi undersøgelsen foregår i et vakuum, hvilket betyder, at vand ville fordampe med det samme og gøre billeddannelse umulig.

Imidlertid, fordi vandmolekyler spiller en så vigtig rolle i biomolekyler, især i proteiner, de kan ikke undersøges ved hjælp af traditionel elektronmikroskopi. Proteiner er blandt de vigtigste byggesten i celler og udfører en række forskellige opgaver. Indgående kendskab til deres struktur er nødvendig for at forstå, hvordan de fungerer.

Forskergruppen ledet af Dr. Panagiotis Kastritis, som er gruppeleder ved Center for Innovationskompetence HALOmem og juniorprofessor ved Institut for Biokemi og Bioteknologi ved MLU, erhvervede et avanceret elektronkryomroskop i 2019. "Der er intet andet mikroskop som det i Halle, " siger Kastritis. Den nye Thermo Fisher Glacios 200 kV, finansieret af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning, er ikke det bedste og dyreste mikroskop af slagsen.

Alligevel, Det lykkedes Kastritis og hans kolleger at bestemme strukturen af ​​jernlagerproteinet apoferritin ned til 2,7 ångströms (Å), med andre ord, næsten ned til det enkelte atom. En ångström er lig med en tiendedel af en nanometer. Det placerer forskergruppen i en lignende liga som afdelinger med langt dyrere udstyr. Apoferritin bruges ofte som et referenceprotein til at bestemme ydeevneniveauerne for tilsvarende mikroskoper.

For nylig, to forskergrupper slog ny rekord med en opløsning på omkring 1,2 Å. "Sådanne værdier kan kun opnås ved hjælp af meget kraftfulde instrumenter, som kun en håndfuld forskningsgrupper verden over har til deres rådighed. Vores metode er designet til mikroskoper fundet i mange laboratorier, " forklarer Kastritis.

Elektron kryo-mikroskoper er meget komplekse enheder. "Selv små fejljusteringer kan gøre billederne ubrugelige, " siger Kastritis. Det er vigtigt at programmere dem rigtigt, og Halle har den tekniske ekspertise til at gøre dette. Men analysen, der udføres, efter at dataene er blevet indsamlet, er lige så vigtig. "Mikroskopet producerer flere tusinde billeder, " forklarer Kastritis.

Billedbehandlingsprogrammer bruges til at skabe en 3D-struktur af molekylet. I samarbejde med professor Milton T. Stubbs fra Institut for Biokemi og Bioteknologi ved MLU, forskerne har udviklet en ny metode til at skabe en højopløsningsmodel af et protein. Stubbs' forskergruppe bruger røntgenkrystallografi, en anden teknik til at bestemme strukturen af ​​proteiner, hvilket kræver at proteinerne krystalliseres. De var i stand til at kombinere en modificeret form for billedanalyseteknik med billederne taget med elektronkryo-mikroskopet. Dette gjorde ladningstilstande og individuelle vandmolekyler synlige.

"Det er en attraktiv metode, " siger Kastritis. I stedet for at have brug for meget dyre mikroskoper, der kræves meget computerkapacitet, som MLU har. Nu, ud over at bruge røntgenkrystallografi, elektronkryo-mikroskopi kan bruges til at producere billeder af proteiner - især dem, der er svære at krystallisere. Dette muliggør samarbejde, både i og uden for universitetet, om strukturel analyse af prøver med medicinsk og bioteknologisk potentiale.