Кіріспе

Криогендік электронды томография (КЭТ) – үлгілердің жоғары ажыратымды (~1–4 нм) үш өлшемді көлемін қайта құруға қолданылатын бейнелеу техникасы, көбінесе (бірақ ғана биологиялық макромолекулалар мен жасушалармен шектелмейді). КЭТ – бұл трансмиссиялық электронды криомикроскопияның (CryoTEM) ерекше қолданысы, онда үлгілер еңкейтіліп суретке түсіріледі, нәтижесінде 2D суреттер тізбегі пайда болады, оларды 3D реконструкция жасау үшін біріктіруге болады, бұл адам денесінің КТ-сына ұқсас. Басқа электронды томография техникаларынан айырмашылығы, үлгілер криогендік жағдайда (<-150 °C) суретке түсіріледі. Жасушалық материал үшін құрылым кристалданусыз, шыны тәрізді мұзда бекітіледі, бұл оларды құрғату немесе химиялық бекітуді қажет етпей суретке түсіруге мүмкіндік береді, әйтпесе биологиялық құрылымдар бұзылып немесе деформацияланады.

Техниканың сипаттамасы

Электрондық микроскопияда (ЭМ) үлгілер жоғары вакуумда бейнеленеді. Мұндай вакуум жасушалар сияқты биологиялық үлгілермен үйлесімсіз; суда қайнау болып, қысымның айырмашылығы жасушаны жарып жіберуі мүмкін. Сондықтан, бөлме температурасындағы ЭМ техникаларында үлгілер бекітіліп, құрғатылады. Дегенмен, биологиялық үлгілерді тұрақтандырудың тағы бір тәсілі – оларды мұздату (криоэлектрондық микроскопия немесе криоЭМ). Басқа криоэлектрондық микроскопия техникаларындағыдай, криоЭТ үшін үлгілер (әдетте бактериялар, археялар немесе вирустар сияқты кішкентай жасушалар) стандартты сулы ортада дайындалып, ЭМ торларына жағылады. Содан кейін тор криогенге (әдетте сұйық этанға) соншалықты тиімді түрде батырылады, су молекулаларының кристалдық торға қайта құрылуына уақыт жетпейді. Бұл бейнелердің тізбегі есептеу арқылы зерттелетін нысанның үш өлшемді бейнесіне қайта жаңартылуы мүмкін. Бұл томограмма немесе томографиялық реконструкция деп аталады.

Жоғары дақылдағы ин-ситу бейнелеу мүмкіндігі

КриоЭТ-тің ең көп айтылатын артықшылықтарының бірі – жеке нысандардың (ақуыздар, жасушалар сияқты) үш өлшемді көлемін қайта құру мүмкіндігі. Бұл кристаллдық әдістерде немесе басқа криоЭМ бейнелеу әдістерінде, мысалы, жеке бөлшекті талдауда, үлгінің көптеген көшірмелерін қажет етуден сақтайды.

Үлгінің қалыңдығы

Трансмиссиялық электронды микроскопияда (ТЭМ) электрондар материямен күшті әсерлесетіндіктен, үлгіні бірнеше серпімді шашырау оқиғаларына байланысты қараңғылауын болдырмау үшін өте жұқа ұстау керек. Сондықтан, криоЭТ-де үлгілердің қалыңдығы көбінесе ~500 нм-ден кем болады. Осы себепті, криоЭТ зерттеулерінің көпшілігі тазартылған макромолекулалық кешендерге, вирустарға немесе бактериялар мен археялардың көптеген түрлерінің жасушаларына бағытталған. Ірі жасушаларды, тіпті тіндерді де криоЭТ үшін жұқалау арқылы дайындауға болады, яғни криосекциялау немесе фокустық иондық сәуле (FIB) арқылы кесу арқылы. Криосекциялауда жасушалардың немесе тіндердің мұздатылған блоктары криомикротом арқылы жұқа үлгілерге бөлінеді. FIB кесуде, суыққа шомырылған үлгілер иондардың шоғырланған сәулесіне, әдетте галлийге ұшырайды, ол үлгінің жоғарғы және төменгі жағындағы материалды дәл кесіп, криоЭТ бейнелеуге жарамды жұқа ламелланы қалдырады.

Сигнал-шыбырлық қатынасы

Бір немесе бірнеше томограммада көптеп кездесетін құрылымдар үшін субтомограммаларды орташалау арқылы жоғарырақ ажыратымдылыққа (тіпті ≤1 нм-ге дейін) қол жеткізуге болады. Жеке бөлшектерді талдау сияқты, субтомограммаларды орташалау есептеу арқылы бірдей нысандардың кескіндерін біріктіріп, сигнал мен шу арақатынасын арттырады.

Сәулелену зақымдануы

Электрондық микроскопияда биологиялық үлгілер, материалтану және физика үлгілерімен салыстырғанда, радиациялық зақымданудан жылдам ыдырайтыны мәлім. Биологиялық үлгілерді бейнелеуге арналған электрондық микроскопияға негізделген көптеген басқа әдістерде, бұл мәселенің шешімі әдетте көптеген әртүрлі үлгілерден сигналдарды біріктіру болып табылады (мысалы, кристаллография, жеке бөлшекті талдау). КриоЭТ-де, әртүрлі үлгілердің көптеген суреттерін алудың орнына, бір аймақтың көптеген суреттері түсіріледі. Осының салдарынан, үлгіге түсетін флюенция (бірлік ауданға түсетін электрондар саны) жеке бөлшекті талдаудан шамамен 2-5 есе артық. Материалдардың томографиясы, олардың радиацияға төзімділігіне байланысты, әдеттегі биологиялық бейнелеуге қарағанда әлдеқайда жоғары ажыратымдылыққа мүмкіндік береді, бұл радиациялық зақымданудың биологиялық үлгілердің криоЭТ-індегі ең маңызды шектеуші фактор екенін көрсетеді.

Тереңдік ажырату қабілеті

Электрондардың материямен күшті өзара әрекеттесуі анизотроптық ажыратымдылық әсеріне де алып келеді. Суреттеу кезінде үлгі еңкейтілгенде, электронды сәуле микроскоптың оптикалық осі бойымен үлкен еңкейім бұрыштарында қалыңдай түсетін үлгімен өзара әрекеттеседі. Іс жүзінде, шамамен 60–70°-тан асатын еңкейім бұрыштары көп ақпарат бермейді де, сондықтан қолданылмайды. Бұл соңғы томограммада электронды сәуле бағытындағы ажыратымдылықтың төмендеуіне әкеледі. "Жоғалған үшбұрыш" термині томограмманың Фурье түрлендірілімінің көрінісінен туындайды, онда үлгіні 90°-қа дейін еңкейтудің болмауынан бос үшбұрыш байқалады. Жоғалған үшбұрыш үлгінің тереңдігінде ажыратымдылықтың жетіспеуіне себеп болады, өйткені жоғалған ақпарат негізінен z осьі бойымен орналасқан. Жоғалған үшбұрыш 3D электронды кристаллографияда да проблема болып табылады, онда ол әдетте бір-бірін жабатын бірнеше деректер жиынтығын біріктіру арқылы немесе мүмкін болған жағдайда симметрияны кеңейту арқылы шешіледі. Сондай-ақ, супер ажыратымдылықты жарық микроскопиясы (мысалы, крио PALM) криоЭТ-мен интеграциялануы мүмкін. Бұл техникаларда, флуоресценттік таңбаланған қызығушылық тудыратын протеині бар үлгі жылдам салқындатылып, алдымен үлгіні кристалдану температурасының төменінде (< −150 °C) ұстауға мүмкіндік беретін арнайы платформасы бар жарық микроскопында суретке түсіріледі. Флуоресценттік сигналдың орны анықталады және үлгі CryoTEM-ге ауыстырылады, онда сол орналасқан жер cryoET арқылы жоғары ажыратымдылықта суретке түсіріледі.