Введение

Криогенная электронная томография (криоЭТ) – это метод визуализации, используемый для реконструкции трехмерных объемов образцов с высоким разрешением (~1–4 нм), часто (но не только) биологических макромолекул и клеток. КриоЭТ является специализированным применением трансляционной электронной криомикроскопии (криоЭМ), при котором образцы визуализируются при их наклоне, что позволяет получить серию двухмерных изображений, которые затем объединяются для создания трехмерной реконструкции, подобной компьютерной томографии тела человека. В отличие от других методов электронной томографии, образцы исследуются в криогенных условиях (ниже −150 °C). Для клеточных материалов структура иммобилизуется в аморфном, стекловидном льду, что позволяет визуализировать их без обезвоживания или химической фиксации, которые в противном случае могли бы нарушить или исказить биологические структуры.

Описание техники

При электронной микроскопии образцы визуализируются в высоком вакууме. Такой вакуум несовместим с биологическими образцами, такими как клетки: вода бы закипела, а разница в давлении привела бы к взрыву клетки. При использовании методов электронной микроскопии при комнатной температуре образцы, следовательно, готовят путем фиксации и дегидратации. Однако другим способом стабилизации биологических образцов является их замораживание (криоэлектронная микроскопия или криоЭМ). Как и в других методах электронной криомикроскопии, образцы для криоЭТ (обычно небольшие клетки, такие как бактерии, археи или вирусы) готовятся в стандартных водных средах и наносятся на носитель для электронной микроскопии. Затем носитель быстро погружают в криоагент (обычно жидкий этан), настолько эффективно, что молекулы воды не успевают перестроиться в кристаллическую решетку. Полученную серию изображений, полученную при различных углах наклона, затем можно вычислительно реконструировать в трехмерное изображение интересующего объекта. Это называется томограмма или томографическая реконструкция.

Потенциал для получения изображений с высоким разрешением in situ

Одним из наиболее часто упоминаемых преимуществ криоЭТ является возможность реконструировать 3D-объемы отдельных объектов (белков, клеток и т.п.), в отличие от необходимости использования множества копий образца в кристаллографических методах или других методах криоэлектронной микроскопии, таких как анализ отдельных частиц.

Толщина образца

В просвечивающей электронной микроскопии (TEM) из-за сильного взаимодействия электронов с веществом образцы должны быть очень тонкими, чтобы избежать потемнения из-за многократного упругого рассеяния. Поэтому в криоэлектронной томографии (cryoET) толщина образцов обычно составляет менее ~500 нм. По этой причине большинство исследований cryoET сосредоточены на очищенных макромолекулярных комплексах, вирусах или небольших клетках, таких как клетки многих видов бактерий и архей. Более крупные клетки и даже ткани могут быть подготовлены для cryoET путем утонения, либо криосекционированием, либо с помощью фрезеровки сфокусированным ионным пучком (FIB). При криосекционировании замороженные блоки клеток или тканей нарезаются на тонкие образцы с помощью криомикротома. При фрезеровке FIB замороженные образцы подвергаются воздействию сфокусированного пучка ионов, обычно галлия, который прецизионно удаляет материал с верхней и нижней сторон образца, оставляя тонкую ламеллу, пригодную для cryoET-визуализации.

Соотношение сигнал/шум

Для структур, присутствующих в нескольких копиях в одной или нескольких томограммах, можно получить более высокое разрешение (даже ≤1 нм) с помощью усреднения субтомограмм. Подобно анализу отдельных частиц, усреднение субтомограмм вычислительно объединяет изображения идентичных объектов для повышения отношения сигнал/шум.

Радиационное повреждение

Известно, что электронная микроскопия быстро разрушает биологические образцы по сравнению с образцами в материаловедении и физике из-за радиационного повреждения. В большинстве других методов электронной микроскопии, используемых для визуализации биологических образцов, для преодоления этой проблемы обычно объединяют сигналы от множества различных копий образцов (например, в кристаллографии или анализе отдельных частиц). В криоэлектронной томографии (криоЭТ) вместо получения множества изображений разных копий образца делается множество изображений одной и той же области. В результате, флуенция (количество электронов, приходящихся на единицу площади) на образец примерно в 2–5 раз выше, чем при анализе отдельных частиц. Томография более устойчивых материалов позволяет достичь значительно более высокого разрешения, чем типичная биологическая визуализация, что указывает на то, что радиационное повреждение является основным ограничением для криоЭТ биологических образцов.

Разрешение глубины

Сильное взаимодействие электронов с веществом также приводит к анизотропному эффекту разрешения. При наклоне образца во время визуализации электронный луч взаимодействует с кажущимся более толстым образцом вдоль оптической оси микроскопа при больших углах наклона. На практике углы наклона, превышающие примерно 60–70°, не дают существенной информации и поэтому не используются. Это приводит к появлению "недостающего клина" информации в итоговой томограмме, что снижает разрешение параллельно направлению электронного луча. Термин "недостающий клин" происходит от представления преобразования Фурье томограммы, где из-за отсутствия наклона образца до 90° виден пустой клин. Недостающий клин приводит к снижению разрешения по глубине образца, поскольку недостающая информация в основном приходится на ось z. Недостающий клин также является проблемой в 3D-электронной кристаллографии, где он обычно решается путем объединения нескольких перекрывающихся наборов данных или, где это возможно, расширением симметрии. Кроме того, методы сверхразрешающей световой микроскопии (например, крио-PALM) могут быть интегрированы с криоЭТ. В этих методах образец, содержащий интересующий белок, меченный флуоресцентным маркером, быстро замораживается и сначала визуализируется в световом микроскопе, оснащенном специальной платформой для поддержания температуры ниже температуры кристаллизации (< –150 °C). Определяется местоположение флуоресцентного сигнала, а затем образец переносится в криоТЕМ, где то же местоположение визуализируется с высоким разрешением с помощью криоЭТ.