Введение

Трансмиссионная электронная криомикроскопия (CryoTEM), обычно известная как криоЭМ, является формой криогенной электронной микроскопии, более конкретно типом трансмиссионной электронной микроскопии (TEM), где образец изучается при криогенных температурах (обычно температура жидкого азота). Криоэлектронная микроскопия, в частности, трехмерная электронная микроскопия (3DEM), набирает популярность в структурной биологии. Полезность электронной криомикроскопии передачи заключается в том, что она позволяет наблюдать образцы, которые не были окрашены или зафиксированы каким-либо образом, показывая их в их родной среде. Это контрастирует с рентгеновской кристаллографией, которая требует кристаллизации образца, что может быть сложно, и помещения их в нефизиологическую среду, что иногда может привести к функционально неуместным конформационным изменениям. Достижения в технологии электронных детекторов, особенно DED (прямые электронные детекторы), а также более мощные алгоритмы визуализации программного обеспечения позволили определить макромолекулярные структуры с почти атомным разрешением. В изображенные макромолекулы входят вирусы, рибосомы, митохондрии, ионные каналы и ферментные комплексы. Начиная с 2018 года, криоэлектромагнитные процессы могут применяться к структурам, таким же малым, как гемоглобин (64 кДа) и с разрешением до 1,8 Å. В 2019 году криоэлектронные структуры составляли 2,5% структур, хранящихся в базе данных белков, и это число продолжает расти. Применением криоэлектронной томографии является криоэлектронная томография (криоЭТ), где 3D-реконструкция образца создается из наклонных 2D-образов.

Разработка

Первоначальная логика для CryoTEM была как средство борьбы с радиационным повреждением биологических образцов. Количество излучения, необходимое для получения изображения образца в электронном микроскопе, достаточно высоко, чтобы быть потенциальным источником повреждения образца для хрупких структур. Кроме того, высокий вакуум, необходимый для колонны электронного микроскопа, делает среду для образца довольно суровой. Проблема вакуума была частично решена введением отрицательных красителей, но даже с отрицательными красками биологические образцы подвержены структурному коллапсу при обезвоживании образца. Внедрение образцов в лед ниже температуры сублимации было возможностью, которая рассматривалась ранее, но вода имеет тенденцию к формированию кристаллической решетки более низкой плотности при замораживании, и это может разрушить структуру всего, что внедрено в нее. В начале 1980-х годов несколько групп, изучающих физику твердого тела, пытались получить стеклянный лед различными способами, такими как замораживание под высоким давлением или мгновенное замораживание. В основополагающей работе 1984 года группа во главе с Жаком Дюбоше в Европейской лаборатории молекулярной биологии показала изображения аденовируса, встроенного в стеклянный слой воды. Эта статья, как правило, считается источником криоэлектромагнитной технологии, и эта техника была разработана до такой степени, что стала обычной в многочисленных лабораториях по всему миру. Энергия электронов, используемых для получения изображений (80300 кВ), достаточно высока, чтобы ковалентные связи могли быть разрушены. Когда образцы для получения изображений уязвимы к радиационным повреждениям, необходимо ограничить воздействие электронов, используемых для получения изображения. Для получения карты с таким низким уровнем экспозиции необходимо выбрать, сопоставить и сопоставить средние изображения тысяч или даже миллионов одинаковых замороженных молекул, чтобы получить карты с высоким разрешением с помощью специального программного обеспечения. В 2012 году было достигнуто значительное улучшение структурных особенностей за счет внедрения прямых электронных детекторов и лучших вычислительных алгоритмов. С тех пор были достигнуты более высокие разрешения, в том числе структура бактериального фермента β-галактозидазы в 2, 2 Å в 2015 году и структура глутаматодегидрогеназы в 1,8 Å в 2016 году. Криоэлектромагнитная электроника также использовалась для определения структуры различных вирусов, включая вирус Зика, и применялась к большим комплексам, таким как сплайцесома. В 2017 году Нобелевская премия по химии была присуждена совместно Жаксу Дубоше, Йоахиму Фрэнку и Ричарду Хендерсону "за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул в растворе с высоким разрешением".

Тонкая пленка

Биологический материал распределяется по сетке электронной микроскопии и сохраняется в замороженном гидратированном состоянии путем быстрого замораживания, обычно в жидком этане при температуре жидкого азота. Поддержание образцов при температуре жидкого азота или ниже позволяет вводить их в высокий вакуум электронной микроскопической колонки. Большинство биологических образцов чрезвычайно радиочувствительны, поэтому их необходимо визуализировать с помощью методов низкой дозы (полезно, что низкая температура электронной криомикроскопии обеспечивает дополнительный защитный фактор от радиационного повреждения). Следовательно, изображения чрезвычайно шумные. Для некоторых биологических систем можно усреднять изображения, чтобы увеличить отношение сигнала к шуму и получить информацию о образце с высоким разрешением, используя метод, известный как анализ одной частицы. Этот подход в целом требует, чтобы вещи, которые усредняются, были идентичными, хотя теперь можно изучить некоторую ограниченную конформационную гетерогенность (например, рибосомы). Трехмерные реконструкции изображений белковых комплексов и вирусов CryoTEM были решены до субнанометрового или почти атомного разрешения, что позволяет получить новое представление о структуре и биологии этих больших сборок. Анализ упорядоченных массивов белков, таких как 2D кристаллы трансмембранных белков или спиральные массивы белков, также позволяет получить среднее значение, которое может предоставить информацию о образце с высоким разрешением. Эта техника называется электронной кристаллографией.

Стеклянные секции

Метод тонкой пленки ограничивается тонкими образцами (обычно < 500 нм), потому что электроны не могут пересекать более толстые образцы без множественных эпизодов рассеивания. Толще образцы могут быть остеклены путем замораживания (криофиксации) в этане (толщиной до десятков мкм) или чаще путем замораживания под высоким давлением (до сотен мкм). Затем их можно разрезать на тонкие участки (толщиной от 40 до 200 нм) с помощью алмазного ножа в криоультрамикротоме при температуре ниже -135 °C (температура девитрификации). Секции собираются на сетке электронного микроскопа и визуализируются таким же образом, как и образец, стеклянный в тонкой пленке. Этот метод называется трансмиссионной электронной криомикроскопией стеклянных участков (CEMOVIS) или трансмиссионной электронной криомикроскопией замороженных гидратированных участков.

Образцы материала

Помимо того, что позволяет визуализировать стеклообразные биологические образцы, CryoTEM также может использоваться для визуализации образцов материала, которые слишком летучие в вакууме для визуализации с использованием стандартной электронной микроскопии при комнатной температуре. Например, стеклообразные участки жидких твердых поверхностей могут быть извлечены для анализа с помощью криотемпературного метода, а серу, которая подвержена сублимации в вакууме электронных микроскопов, можно стабилизировать и визуализировать в криотемпературном методе.

Обработка изображений в крио-ТЭМ

Хотя в большинстве подходов в электронной микроскопии пытаются получить изображение материала с наилучшим разрешением, это не всегда так в крио-ТЭМ. Помимо всех преимуществ изображений высокого разрешения, соотношение сигнала к шуму остается основным препятствием, препятствующим назначению ориентации каждой частице. Например, в макромолекулярных комплексах существует несколько различных структур, которые проецируются из 3D в 2D во время визуализации, и если они не различаются, результат обработки изображения будет размытым. Именно поэтому вероятностные подходы становятся более мощными в этом типе исследований. Существует два популярных подхода, которые широко используются в настоящее время в криоэлектронной обработке изображений, подход максимальной вероятности, который был обнаружен в 1998 году, и относительно недавно адаптированный байесовский подход. Подход оценки максимальной вероятности приходит в эту область из статистики. Здесь все возможные ориентации частиц суммируются, чтобы получить полученное распределение вероятности. Мы можем сравнить это с типичной оценкой наименьших квадратов, где частицы получают точные ориентации на изображение. Таким образом, частицы в образце получают "нечеткие" ориентации после расчетов, взвешенных соответствующими вероятностями. Весь процесс итеративный, и с каждой следующей итерацией модель становится лучше. Хорошие условия для создания модели, которая точно представляет реальную структуру, когда данные не имеют слишком много шума и частицы не имеют какого-либо предпочтительного направления. Основным недостатком подхода максимальной вероятности является то, что результат зависит от первоначальной догадки, и оптимизация модели иногда может застрять на локальном минимуме. Байесовский подход, который сейчас используется в крио-ТЭМ, является эмпирическим по своей природе. Это означает, что распределение частиц основано на исходном наборе данных. Аналогично, в обычном байесовском методе существует фиксированная предварительная вероятность, которая изменяется после наблюдения данных. Основное отличие от максимальной вероятности заключается в специальном терме реконструкции, который помогает сгладить полученные карты, а также уменьшить шум во время реконструкции. Программа получила широкое распространение в крио-ТЭМ-сфере. Он предлагает ряд исправлений, которые улучшают разрешение реконструированных изображений, позволяет реализовывать универсальные скрипты с использованием языка Python и выполняет обычные задачи классификации 2D/3D моделей или создания моделей de novo.