Криоэлектрондық томография: Үш өлшемді бейнелеу әдісі
Cryogenic electron tomography
Криоэлектрондық томография (cryoET) – биологиялық молекулалардың 3D суреттерін алу әдісі. Бұл мұзда жағдайында үлгілерді зерттеу арқылы жоғары ажыратымдылықта бейнелейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Cryogenic electron tomography (cryoET) is an imaging technique used to reconstruct high resolution (~1–4 nm) three dimensional volumes of samples, often (but not limited to) biological macromolecules and cells. cryoET is a specialized application of transmission electron cryomicroscopy (CryoTEM) in which samples are imaged as they are tilted, resulting in a series of 2D images that can be combined to produce a 3D reconstruction, similar to a CT scan of the human body. In contrast to other electron tomography techniques, samples are imaged under cryogenic conditions (< −150 °C). For cellular material, the structure is immobilized in non crystalline, vitreous ice, allowing them to be imaged without dehydration or chemical fixation, which would otherwise disrupt or distort biological structures.
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.
In electron microscopy (EM), samples are imaged in a high vacuum. Such a vacuum is incompatible with biological samples such as cells; the water would boil off, and the difference in pressure would explode the cell. In room temperature EM techniques, samples are therefore prepared by fixation and dehydration. Another approach to stabilize biological samples, however, is to freeze them (cryo electron microscopy or cryoEM). As in other electron cryomicroscopy techniques, samples for cryoET (typically small cells such as Bacteria, Archaea, or viruses) are prepared in standard aqueous media and applied to an EM grid. The grid is then plunged into a cryogen (typically liquid ethane) so efficiently such that water molecules do not have time to rearrange into a crystalline lattice. This tilt series of images can then be computationally reconstructed into a three dimensional view of the object of interest. This is called a tomogram, or tomographic reconstruction.
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.
One of the most commonly cited benefits of cryoET is the ability to reconstruct 3D volumes of individual objects (proteins, cells, etc.) rather than necessitating multiple copies of the sample in crystallographic methods or in other cryoEM imaging methods like single particle analysis.
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.
In transmission electron microscopy (TEM), because electrons interact strongly with matter, samples must be kept very thin to not cause samples to darken due to multiple elastic scattering events. Therefore, in cryoET, samples are generally less than ~500 nm thick. For this reason, most cryoET studies have focused on purified macromolecular complexes, viruses, or small cells such as those of many species of Bacteria and Archaea. Larger cells, and even tissues, can be prepared for cryoET by thinning, either by cryo sectioning or by focused ion beam (FIB) milling. In cryo sectioning, frozen blocks of cells or tissue are sectioned into thin samples with a cryo microtome. In FIB milling, plunge frozen samples are exposed to a focused beam of ions, typically gallium, that precisely whittle away material from the top and bottom of a sample, leaving a thin lamella suitable for cryoET imaging.
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.
For structures that are present in multiple copies in one or multiple tomograms, higher resolution (even ≤1 nm) can be obtained by subtomogram averaging. Similar to single particle analysis, subtomogram averaging computationally combines images of identical objects to increase the signal to noise ratio.
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.
Electron microscopy is known to swiftly decay biological samples compared to samples in materials science and physics due to radiation damage. In most other electron microscopy based methods for imaging biological samples, combining the signal from many different sample copies has been the general way of surpassing this problem (e. g. crystallography, single particle analysis). In cryoET, instead of taking many images of different sample copies, many images are taken of one area. Consequentially, the fluence (number of electrons imparted per unit area) on the sample is around 2 5x more than in single particle analysis. Tomography on materials much more resilient allows drastically higher resolution than typical biological imaging, suggesting that radiation damage is the greatest limitation to cryoET of biological samples.
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.
The strong interaction of electrons with matter also results in an anisotropic resolution effect. As the sample is tilted during imaging, the electron beam interacts with a thicker apparent sample along the optical axis of the microscope at higher tilt angles. In practice, tilt angles greater than approximately 60–70° do not yield much information and are therefore not used. This results in a "missing wedge" of information in the final tomogram that decreases resolution parallel to the electron beam.]] The term "missing wedge" originates from the view of the Fourier transform of the tomogram, where an empty wedge is apparent due to not tilting the sample to 90°. The missing wedge results in a lack of resolution in sample depth, as the missing information is mostly along the z axis. The missing wedge is also a problem in 3D electron crystallography, where it is usually solved by merging multiple datasets that overlap each other or through symmetry expansion where possible. and super resolution light microscopy (e. g. cryo PALM) can be integrated with cryoET. In these techniques, a sample containing a fluorescently tagged protein of interest is plunge frozen and first imaged in a light microscope equipped with a special stage to allow the sample to be kept at sub crystallization temperatures (< −150 °C). The location of the fluorescent signal is identified and the sample is transferred to the CryoTEM, where the same location is then imaged at high resolution by cryoET.