Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из криоэлектронной микроскопии )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Просвечивающий электронный микроскоп (2015).
Крио-ПЭМ изображение GroEL, взвешенного в аморфном льду на50 000 × увеличение
Структура алкогольоксидазы из Pichia pastoris с помощью крио-TEM
Изображение интактной клетки ARMAN из биопленки Iron Mountain, полученное методом криогенной просвечивающей электронной микроскопии (cryoTEM). Ширина изображения 576 нм.
Криоэлектронная микрофотография гигантского морского вируса CroV
(масштабная линейка составляет 200 нм) [1]

Криогенная электронная микроскопия ( крио-ЭМ ) - это метод электронной микроскопии (ЭМ), применяемый к образцам, охлажденным до криогенных температур и погруженным в среду стекловидной воды . Водный раствор образца наносят на сетку и погружают в жидкий этан или смесь жидкого этана и пропана. [2] Хотя разработка метода началась в 1970-х годах, недавние достижения в технологии детекторов и программных алгоритмах позволили определять биомолекулярные структуры с разрешением, близким к атомному. [3] Это привлекло широкое внимание к подходу в качестве альтернативы рентгеновской кристаллографии или ЯМР-спектроскопии. для определения структуры макромолекул без необходимости кристаллизации.

В 2017 году Нобелевская премия по химии была присуждена Жаку Дюбоше , Иоахиму Франку и Ричарду Хендерсону «за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул в растворах с высоким разрешением». [4] Nature Methods также назвала крио-ЭМ «методом года» в 2016 году. [5]

Просвечивающая электронная криомикроскопия [ править ]

Основная статья: Просвечивающая электронная криомикроскопия

Криогенная просвечивающая электронная микроскопия (крио-ТЕМ) - это метод просвечивающей электронной микроскопии , который используется в структурной биологии и материаловедении .

  • Криогенная электронная томография (Cryo-ET), специализированное приложение, в котором образцы визуализируются при наклоне
  • Электронная кристаллография , метод определения расположения атомов в твердых телах с помощью ПЭМ
  • MicroED , [6] метод определения структуры белков, пептидов, органических молекул и неорганических соединений с использованием дифракции электронов от трехмерных кристаллов [7] [8] [9]
  • Анализ одиночных частиц крио-ЭМ, метод усреднения для определения структуры белка из монодисперсных образцов [10]

История [ править ]

Раннее развитие [ править ]

В 1960-х годах использование просвечивающей электронной микроскопии для методов определения структуры было ограничено из-за радиационных повреждений, вызванных пучками электронов высокой энергии. Ученые предположили, что изучение образцов при низких температурах уменьшит радиационные повреждения, вызванные пучком. [11] И жидкий гелий (-269 ° C, или 4 K, или -452,2 ° F ), и жидкий азот (-195,79 ° C, или 77 K, или -320 ° F ) считались криогенами. В 1980 году Эрвин Кнапек и Жак Дюбоше опубликовал комментарий о повреждении луча при криогенных температурах, поделившись наблюдениями, которые:

Было обнаружено, что тонкие кристаллы, закрепленные на углеродной пленке, в 30-300 раз более устойчивы к пучку при 4 К, чем при комнатной температуре ... Большинство наших результатов можно объяснить, если предположить, что криозащита в области 4 К сильно зависит от температура. [12]

Однако эти результаты не удалось воспроизвести, и всего два года спустя в журнале Nature были опубликованы поправки, в которых сообщалось, что сопротивление пучка оказалось менее значительным, чем предполагалось изначально. Защита, полученная при 4 К, была ближе к «десятикратной для стандартных образцов L-валина» [13], чем было заявлено ранее.

В 1981 году ученые Европейской лаборатории молекулярной биологии Аласдер МакДауэлл и Жак Дюбоше сообщили о первом успешном применении крио-ЭМ. [14] Макдоуол и Dubochet остеклованы чистая вода в тонкой пленке путем распыления его на гидрофильную углеродную пленку , которая быстро погрузилась в криогенный (жидкий пропан или жидкий этан охлажденного до 77 К). Тонкий слой аморфного льда имел толщину менее 1 мкм, и электронограмма подтвердила присутствие аморфного / стекловидного льда. В 1984 году, Dubochet это группа продемонстрировала силу крио-ЭМ в структурной биологии с анализом витрифицированного аденовируса типа 2, бактериофага Т4 , вируса леса Семлики , бактериофага CbK и вируса везикулярного стоматита . [15]

Нобелевская премия по химии 2017 г. [ править ]

В 2017 году трое ученых, Жак Дюбоше , Иоахим Франк и Ричард Хендерсон , были удостоены Нобелевской премии по химии за разработку метода изображения биомолекул. [4]

Потенциальный конкурент рентгеновской кристаллографии [ править ]

Основная статья: рентгеновская кристаллография

По состоянию на 27 октября 2020 года рентгеновская кристаллография использовалась для получения изображений 150 494 биологических образцов и является доминирующим методом в биологической микроскопии , крио-ЭМ далеко позади - всего 6016. [16]

Однако, согласно Nature , достижения в области прямых электронных детекторов (часто называемых устройствами прямого обнаружения или DDD) в Кембриджском университете [17] и автоматизация производства образцов компанией SPT labtech [18] привели к увеличению использования биологические поля [19], что делает Крио-ЭМ потенциальным конкурентом.

Разрешение рентгеновской кристаллографии ограничено чистотой кристаллов [20], и создание таких образцов занимает очень много времени, вплоть до месяцев или даже лет. [19] Кроме того, некоторые белки трудно кристаллизовать. [19] [21] Хотя подготовка образца для Крио-ЭМ по-прежнему трудоемка, [22] у него нет этих проблем, поскольку он наблюдает образец в его «естественном состоянии». [21]

Согласно Proteopedia , среднее разрешение, полученное с помощью рентгеновской кристаллографии (по состоянию на 19 мая 2019 г.) в банке данных о белках, составляет 2,05 Å [20], а максимальное разрешение, достигнутое за всю историю (по состоянию на 27 октября 2020 г.), составляет 0,48. Å. [23] По состоянию на 2020 год большинство белковых структур, определенных Cryo-EM, имеют более низкое разрешение - 3–4 Å. [24] Однако лучшее разрешение Cryo-EM приближается к 1,5 Å [25], что в некоторых случаях делает его достойным конкурентом по разрешению.

Корреляционный свет Крио-ТЕМ и Крио-ЭТ [ править ]

Основная статья: Корреляционная световая электронная микроскопия

В 2019 году корреляционный свет Cryo-TEM и Cryo-ET использовался для наблюдения туннельных нанотрубок (TNT) в нейрональных клетках. [26]

Сканирующая электронная криомикроскопия [ править ]

Основная статья: Сканирующая электронная криомикроскопия

Сканирующий электронный cryomicroscopy (cryoSEM), является сканирующей электронной микроскопии технику с холодной стадии с помощью сканирующего электронного микроскопа в криогенной камере.

См. Также [ править ]

  • Криофиксация
  • Электронная томография (ЭТ)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Xiao, C., Fischer, MG, Bolotaulo, DM, Ulloa-Rondeau, N., Avila, GA, и Suttle, CA (2017) «Крио-ЭМ реконструкция капсида вируса Cafeteria roenbergensis предлагает новый путь сборки гигантских вирусов. ". Научные доклады , 7 : 5484. DOI : 10.1038 / s41598-017-05824-ш .
  2. ^ Тивол, Уильям Ф .; Бригель, Ариана; Дженсен, Грант Дж. (Октябрь 2008 г.). «Улучшенный криоген для глубинного замораживания» . Микроскопия и микроанализ . 14 (5): 375–379. Bibcode : 2008MiMic..14..375T . DOI : 10.1017 / S1431927608080781 . ISSN  1431-9276 . PMC  3058946 . PMID  18793481 .
  3. ^ Cheng Y, N Григорьев, Penczek PA, Вальц T (апрель 2015). «Праймер для криоэлектронной микроскопии одиночных частиц» . Cell . 161 (3): 438–449. DOI : 10.1016 / j.cell.2015.03.050 . PMC 4409659 . PMID 25910204 .  
  4. ^ а б Кресси Д., Каллавей Э (октябрь 2017 г.). «Криоэлектронная микроскопия приносит Нобелевскую премию по химии» . Природа . 550 (7675): 167. Bibcode : 2017Natur.550..167C . DOI : 10.1038 / nature.2017.22738 . PMID 29022937 . 
  5. ^ Doerr, Allison (январь 2017). «Криоэлектронная томография». Методы природы . 14 (1): 34. DOI : 10.1038 / nmeth.4115 . ISSN 1548-7091 . S2CID 27162203 .  
  6. ^ Nannenga, Brent L; Ши, Дан; Лесли, Эндрю GW; Гонен, Тамир (2014-08-03). «Определение структуры с высоким разрешением путем сбора данных непрерывного вращения в MicroED» . Методы природы . 11 (9): 927–930. DOI : 10,1038 / Nmeth.3043 . PMC 4149488 . PMID 25086503 .  
  7. ^ Джонс, Кристофер G .; Martynowycz, Michael W .; Хаттне, Йохан; Фултон, Тайлер Дж .; Штольц, Брайан М .; Родригес, Хосе А .; Nelson, Hosea M .; Гонен, Тамир (2018-11-02). «Метод криоЭМ MicroED как мощный инструмент для определения структуры малых молекул» . АСУ Центральная Наука . 4 (11): 1587–1592. DOI : 10.1021 / acscentsci.8b00760 . PMC 6276044 . PMID 30555912 .  
  8. ^ де ла Крус, М. Джейсон; Хаттне, Йохан; Ши, Дан; Зайдлер, Пол; Родригес, Хосе; Рейес, Фрэнсис Э; Савая, Майкл Р.; Cascio, Duilio; Вайс, Саймон С (2017). «Структуры с атомным разрешением из фрагментированных кристаллов белка с помощью метода криоЭМ MicroED» . Методы природы . 14 (4): 399–402. DOI : 10.1038 / nmeth.4178 . PMC 5376236 . PMID 28192420 .  
  9. ^ Gruene Т, Wennmacher JT, Zaubitzer С, Гольштейн JJ, Хайдлера Дж, Фекто-Лефебвр А, Де Карло S, Мюллер Е, Голди К. Н., Regeni я, Ли Т, Сантисо-хиноны G, Штайнфельд G, Handschin S, ван Гендерен E, ван Боховен JA, Clever GH, Pantelic R (октябрь 2018 г.). «Быстрое определение структуры микрокристаллических молекулярных соединений с помощью дифракции электронов» . Angewandte Chemie . 57 (50): 16313–16317. DOI : 10.1002 / anie.201811318 . PMC 6468266 . PMID 30325568 .  
  10. ^ Чэн, Ифань (2018-08-31). «Одночастичная крио-ЭМ - как она попала сюда и куда пойдет» . Наука . 361 (6405): 876–880. Bibcode : 2018Sci ... 361..876C . DOI : 10.1126 / science.aat4346 . ISSN 0036-8075 . PMC 6460916 . PMID 30166484 .   
  11. ^ Dubochet J, Knápek E (апрель 2018). «Взлеты и падения в ранней электронной криомикроскопии» . PLOS Биология . 16 (4): e2005550. DOI : 10.1371 / journal.pbio.2005550 . PMC 5929567 . PMID 29672565 .  
  12. ^ Knápek E, Dubochet J (август 1980). «Повреждение органического материала пучком значительно снижается при криоэлектронной микроскопии». Журнал молекулярной биологии . 141 (2): 147–61. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (80) 90382-4 . PMID 7441748 . 
  13. ^ Ньюмарка P (30 сентября 1982). «Крио-трансмиссионная микроскопия Угасающие надежды» . Природа . 299 (5882): 386–387. Bibcode : 1982Natur.299..386N . DOI : 10.1038 / 299386c0 .
  14. ^ Dubochet, J .; McDowall, AW (декабрь 1981 г.). «Стеклование чистой воды для электронной микроскопии» . Журнал микроскопии . 124 (3): 3–4. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.1981.tb02483.x .
  15. ^ Адриан, Марк; Дюбоше, Жак; Лепо, Жан; Макдауэл, Аласдер У. (март 1984 г.). «Криоэлектронная микроскопия вирусов» . Природа . 308 (5954): 32–36. Bibcode : 1984Natur.308 ... 32A . DOI : 10.1038 / 308032a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 6322001 . S2CID 4319199 .   
  16. ^ «RCSB PDB - Отчет о запасах» . www.rcsb.org . Проверено 27 октября 2020 .
  17. ^ Callaway, Ивен (2015-09-10). «Революция не будет кристаллизоваться: новый метод пронизывает структурную биологию» . Новости природы . 525 (7568): 172–174. Bibcode : 2015Natur.525..172C . DOI : 10.1038 / 525172a . PMID 26354465 . 
  18. ^ Бейкер, Моня (2018-09-25). «Криоэлектронная микроскопия наверху» . Природа . 561 (7724): 565–567. Bibcode : 2018Natur.561..565B . DOI : 10.1038 / d41586-018-06791-6 . PMID 30254359 . 
  19. ^ a b c Каллавей, Юэн (10 февраля 2020 г.). «Революционная крио-ЭМ захватывает структурную биологию» . Природа . 578 (7794): 201. Bibcode : 2020Natur.578..201C . DOI : 10.1038 / d41586-020-00341-9 . PMID 32047310 . 
  20. ^ a b «Разрешение - Протеопедия, жизнь в 3D» . proteopedia.org . Проверено 27 октября 2020 .
  21. ^ а б «Крио-ЭМ услуги - творческая биоструктура» . www.creative-biostructure.com . Проверено 27 октября 2020 .
  22. ^ Bhella, Дэвид (2019-08-01). «Криоэлектронная микроскопия: введение в методику и соображения при работе над созданием национального объекта» . Биофизические обзоры . 11 (4): 515–519. DOI : 10.1007 / s12551-019-00571-ш . ISSN 1867-2469 . PMC 6682334 . PMID 31359340 .   
  23. ^ Банк, RCSB Protein Data. «RCSB PDB» . www.rcsb.org . Проверено 27 октября 2020 .
  24. ^ Йип, Ка Ман; Фишер, Нильс; Пакния, Эльхам; Чари, Ашвин; Старк, Хольгер (2020). «Определение структуры белка с атомным разрешением с помощью крио-ЭМ». Природа . 587 (7832): 157–161. Bibcode : 2020Natur.587..157Y . DOI : 10.1038 / s41586-020-2833-4 . PMID 33087927 . 
  25. ^ Bhella, Дэвид (2019-08-01). «Криоэлектронная микроскопия: введение в методику и соображения при работе над созданием национального объекта» . Биофизические обзоры . 11 (4): 515–519. DOI : 10.1007 / s12551-019-00571-ш . ISSN 1867-2469 . PMC 6682334 . PMID 31359340 .   
  26. ^ Сартори-Рупп, Анна; Кордеро Сервантес, Диего; Пепе, Анна; Гуссе, Карин; Делаж, Элиза; Корройер-Дульмон, Саймон; Шмитт, Кристина; Крижнсе-Локер, Якомина; Зурзоло, Кьяра (декабрь 2019 г.). «Корреляционная криоэлектронная микроскопия выявляет структуру TNT в нейрональных клетках» . Nature Communications . 10 (1): 342. Bibcode : 2019NatCo..10..342S . DOI : 10.1038 / s41467-018-08178-7 . ISSN 2041-1723 . PMC 6341166 . PMID 30664666 .