Summary
在这里，我们描述了一个程序，用传输电子显微镜以纳米分辨率对液体中的病毒复合物进行成像。
Abstract
研究人员定期使用透电电子显微镜（TEM）来检查生物实体和评估新材料。在这里，我们描述了这些仪器的附加应用 - 在液体环境中查看病毒组件。这种令人激动和新颖的生物结构可视化方法利用了最近开发的基于微流体的标本支架。我们的视频文章演示了如何组装和使用微流体支架在 TEM 内对液体标本进行成像。特别是，我们使用模拟轮状病毒双层颗粒 （DLP） 作为我们的模型系统。我们还描述了用亲和力生物膜覆盖液体室表面的步骤，这些生物膜将 DLP 与观看窗口绑在一起。这使我们能够以适合 3D 结构确定的方式对组件进行成像。因此，我们首次在原生液体环境中看到亚病毒粒子。
Introduction
生物学家和工程师的共同目标是了解分子机器的内部工作。传输电子显微镜 （TEM） 是以近原子分辨率1-2可视化这些复杂细节的理想仪器。为了维持TEM的高真空系统，生物样本通常嵌入在薄膜的微薄冰3，糖4，重金属盐5，或其中的一些组合6。因此，嵌入式标本的图像可能只显示动态过程的有限快照。
帕森斯及其同事利用差分泵送阶段，对环境液体室中水合的生物标本进行了早期维护尝试。未染色催化晶体的电子衍射模式在水合状态7-8中被成功记录到3的分辨率。此外，相分离的脂质域可以在人类红细胞9-10的水合膜中检查。然而，由于扩散液体及其对电子束的干扰引起的运动导致严重分辨率损失，直到最近才尝试使用生物标本进行进一步实验。
新开发的微流体标本持有者已引进，利用半导体微芯片形成微尺度环境室。这些设备可以在将样品放置在 TEM 列11-12中时，将样品保持在液体中。TEM成像技术上的这一突破使研究人员首次能够在分子水平13上看到渐进事件。我们称这种新模式为"原位 分子显微镜"，因为现在可以在EM列14-15的"内部"进行实验。该方法的总体目标是在液体中对生物组件进行成像，以便以纳米分辨率观察其动态行为。开发技术背后的理由是记录实时观测，并检查生物机械在溶液中的新特性。这种方法扩展了TEM在细胞和分子生物学12-16中用于更广泛的目的。
在当前的视频文章中，我们提出了一个全面的协议，以组装和使用市售的微流体标本支架。这些专业支架利用用集成垫片生产的氮化硅微芯片形成一个液体腔室，将微量溶液包围起来。薄而透明的窗户被蚀刻在微芯片中，用于成像目的12。我们演示了使用微流体支架使用 TEM 检查液体中的模拟轮状病毒双层颗粒 （DLP） 的正确用途。为了确保生物组件（如DLP）在成像时不会在很远的距离上快速扩散，我们采用亲和力捕获方法将它们系在微流体16的表面。与液体中生物标本成像 的替代技术而言 ，这种分子捕获步骤具有重大优势，因为它允许获取用于下游处理程序的图像。这个捕获步骤与微流体成像相结合，是我们程序17所独有的。使用 TEM 或微流体成像室使用结构生物学应用程序的读者可能会考虑在分子水平上的动态观测是最终目标时使用亲和力捕获技术。
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Protocol
1. 准备亲和力捕获设备16
- 清洁氮化硅E芯片，在15毫升乙酮中孵育2分钟，然后用15毫升甲醇2分钟（图1A）。允许芯片在层压气流下干燥。
- 在加热搅拌板上（不搅拌）上孵化干屑，在 150 °C 下 1.5 小时，然后让它们在使用前冷却到室温。
- 使用汉密尔顿注射器在小玻璃管中合成脂质混合物，以包含 25% 的氯仿， 55% DLPC （1，2-迪劳罗伊尔-磷胆碱） 在氯仿 （1 毫克/毫升） 和 20% 尼-NTA 脂质 （1，2 - 二恶英 - 二恶英 - 二恶英酸-苏奇尼尔-镍盐） 在氯仿 （1 毫克/毫升） 总容量为 40 μl.
- 在潮湿的培养皿（图1B）中的一片Parafilm上，在每15微克的米利-Q水上涂抹1μl的混合物。在冰上孵化样品至少60分钟。
2. 捕获巨分子17
- 将带有 150 nm 集成垫片的 E 芯片放在单层样品顶部，孵育 1 分钟（图 1C）。
- 轻轻将芯片从样品中取出，并在室温下加入3μl的蛋白质A.孵化剂，在室温下孵化1分钟（图1D）。
- 使用 Whatman #1滤纸擦去多余的滴液，并立即添加 3μl 抗体溶液。在室温下孵化1分钟。
- 使用汉密尔顿注射器去除多余的溶液，并立即在缓冲溶液中加入 1μl 的轮状病毒 DLP （0.1 毫克/毫升），其中包含 50 mM HEPES （pH 7.5）、150 mM NaCl、10 毫克 MgCl2和 10 mM CaCl2。在室温下孵化至少2分钟。DLP的编制工作已于18日进行。
3. 组装微流体室并加载 原位 标本支架
- 将含有病毒样本的湿 E 芯片加载到微流体标本支架的尖端。发光放电第二个扁平电子芯片1分钟，然后加载在垫片顶部（图2， 面板1-5）。
- 或者，为了增加生物大分子的对比度，重金属污渍（如0.2%的尿素前体）可以在将第二个电子芯片放在湿标本上之前添加到湿标本中。但是，包含标本的电子芯片在添加对比试剂之前需要用 Milli-Q 水清洗。
- 将整个装配夹在一起，形成密封的外壳，由 3 个黄铜螺丝（图2，面板 6-8）机械地放在支架内。
- 组装后，支架的尖端使用涡轮泵干泵站泵至 10-6 托尔，然后将支架放入 TEM 内。
4. 使用传输电子显微镜进行液体成像
- 将原位 标本支架装载到配备拉布6 灯丝的传输电子显微镜 （FEI 公司）中，并在 120 kV 下运行。
- 打开 TEM 灯丝，利用摆动器功能将样品从 -15° 来回倾斜至柱子中的 +15° ，从而调整显微镜阶段与标本的中心高度。此过程调整 z 方向的阶段，以帮助考虑液室的适当厚度。此步骤还可确保在录制图像时使用准确的放大倍数。
- 首先记录沿边缘和微流体室的角落区域的图像。这些区域通常包含最薄的解决方案。使用CCD相机记录低剂量条件下标本的图像（1-3电子/+2）。使用 6，000X - 30，000X 的名义放大倍数。
- 通过聚焦在流体室的边缘来确定适当的去菌值。使用 -1.5μm 值以 30，000 倍的放大倍数记录图像。如果遇到厚溶液，或者样品制备中未使用对比剂，请使用 -2 至 -4 μm 范围内的较高除毒素值。
- 为了确保在整个实验过程中，微流体中都包含溶液，将电子束对焦，直到在设备内的液体中形成气泡。
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Representative Results
使用发光释放的电子芯片（图 3A）在液体中使用 DDLP 的代表性图像显示，与在亲和力捕获设备上浓缩的 DDLP相比，在给定观看区域（大概是由于扩散）中的 DLP 较少。在成像室中加入尿素用于增强标本的对比度，从而提高溶液中单个 DLP 的可见性（图 3C，顶部面板）。更好的对比度允许下游图像处理，如粒子平均（图3C，底部面板）和3D重建例程（图3C，插图），如先前描述的17。简言之，在3D重建中，我们使用SPID软件包19选择了600个DLP粒子。选定的粒子根据被过滤到80\分辨率的轮状病毒 DLP 20 的初始模型进行改进。我们使用RELION软件包21计算3D重建的分辨率约为25+我们的3D地图与初始模型和使用相同参数和DLP样本17计算的独立低温EM重建良好。
图1。准备氮化硅微芯片用于液体成像。A） 硅氮化物微芯片通过在乙酮中浸入2分钟，然后在甲醇中浸入2分钟，以去除制造过程中使用的残余光分辨率。B） 脂质单层样品是在湿润的Petry菜17中加入帕拉菲尔姆的米利-Q水滴上准备的。C） 清洁的微芯片放置在单层上，经过 1 分钟的孵化步骤后移除。D） 分子适配器（即溶液中的蛋白质A和抗体）直接添加到单层涂层芯片中，在添加 DLAP 之前去除多余的溶液。然后将湿标本芯片加载到微流体支架中。
图2。组装微流体标本支架的液体室。标本室的尖端通过在空尖（步骤 1-2）中添加 O 环配件进行组装。包含集成垫片的湿标本芯片被轻轻地放入支架尖端的加工配件中（步骤 3-4）。在标本芯片（第 5 步）顶部放置一个发光放电的扁平芯片。然后，装配上金属面板（第 6 步），由 3 个黄铜螺钉（步骤 7-8）保持到位。
图3。液体中 DDLP 的代表性结果。A） 与亲和力装饰的微芯片（B） 相比，发光排放的微芯片在溶液中结合的 DP 很少。比例杆，2微米。C） 含有对比试剂的液体中DLP的代表图像（顶部面板）和3D重建（插图）。比例杆，150纳米。重建的直径为80纳米。液体（底板）中DLP的类平均值显示其外表面的明确定义特征。单个面板为 110 nm。
图4。TEM 中液体标本中气泡形成的代表性结果。在5个电子束连续照射电子束时，液体标本中形成的气泡图像约为2分钟（A）和5分钟（B）。比例栏为 100 nm。
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Discussion
在我们的介绍工作中，我们采用亲和力捕获方法将轮状病毒 DLP 系在微流体平台上。这允许在液体微环境下对大分子复合物进行 原位 成像。捕获 方法对于其他微流体成像技术具有重要意义 ，因为它将生物标本定位到成像窗口，以否定在以液体中记录图像时出现的大型扩散问题。然而， 我们协议中最关键的步骤 之一是将脂质生物膜转移到微芯片表面。如果脂质单层不能均匀地分布在网格上，这将导致一个有缺陷的实验。转移步骤不佳的一个迹象是，很少或根本没有病毒组件将与流体芯片绑定。转移步骤的限制是与脂质层的流动性相关的热稳定性。如果转移步骤不够充分，根据滴的不均匀分布来评估，脂质层应在冰上或无振动的冷室中孵育更长时间。此外，培养皿必须用帕拉膜充分密封，以保持适当的湿度。
微芯片样本中病毒复合物或适配器蛋白的过量可能导致颗粒过度聚集。这是协议中的一个限制，可以很容易地管理。为了尽量减少聚集效应，蛋白质因子可以潜伏较短的时间，或者病毒样本应进一步稀释。如果检测到过量的非特异性蛋白质，在缓冲液中加入新鲜制备的伊米达佐尔（约 50 mM）可以降低背景。使用新鲜的伊米达佐尔是 协议中的关键一步。同样，不要用纯化蛋白超载芯片，因为这不会确保特定的结合，并将导致有缺陷的实验。图像将包含多余的背景蛋白，不适合下游处理程序。纯化蛋白的最佳浓度范围约为0.01-0.1毫克/毫升。但是，如果此范围不能提供预期的粒子水平，则应增加样品的浓度，直到达到最佳水平。对于缺乏分子适配器（如抗体）的负对照样本，应进行病毒颗粒的浓缩。少量的非特异性结合在你的负控制可能很少发生，但是，亲和力装饰的微芯片应该总是用来丰富病毒颗粒。就轮状病毒而言，目前没有反向遗传系统将他的标签引入辣椒蛋白中，作为将病毒复合物直接捕获到Ni-NTA装饰表面的一种手段。然而，他标记的操纵体已经成功地从细菌裂解剂中招募到Ni-NTA装饰的电子芯片上，用于液体成像实验16。因此，提供证据，虽然在这一点上是有限的，本地生物相互作用发生在液体细胞，而在TEM列。
必须避免使用洗涤剂、甘油和高浓度蔗糖进行 原位 成像。使用这些试剂将在 EM 图像中创建人工制品，包括粒子中过多的冒泡和静音功能，从而导致图像质量差。如果这些试剂用于病毒制剂，样品可以透析成缺乏这些组件的缓冲解决方案。亲和力捕获设备可以承受一定程度的洗涤剂很短的时间，虽然这需要根据情况确定。请参阅先前描述的22个兼容试剂列表。
为了实现下游图像处理程序，可在微流体中添加低浓度的对比度试剂。这种试剂不固定蛋白质样品，像传统的染色程序17。为了确保在整个实验过程中，成像室中都存在液体，请聚焦电子束，直到气泡形成（图4）。这是一个简单的测量，以表明标本保持水分。液体标本在2分钟（图4A）内在5个电子/+2个电子束连续暴露时遇到严重损坏。长时间连续电子束照射5分钟（图4B）及以后，在这种剂量将导致过度的气泡形成在成像区域。
与亲和力捕获装置结合使用的原位分子显微镜允许使用传输电子显微镜检查溶液中的生物复合物。这些技术进步是利用新开发的微流体标本持有人取得的。这种装置采用薄硅氮化物膜，形成微尺度成像室。基于 Parsons 和同事7-10的开创性工作，我们提供了一个有用的策略，用于在解决方案中对单个病毒组件进行成像。此处描述的协议解释了与单粒子图像处理例程和 3D 重建计算兼容的方法。掌握这些技术将产生的未来应用可能包括大分子的实时EM成像。我们预计原位成像可能会揭示病毒组装、转录调节或宿主细胞入侵的步骤。总之，使用这些协议应允许研究人员以全新的方式调查解决方案中的动态过程。
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Disclosures
作者马德琳·杜克斯是原芯片公司的员工。
Acknowledgments
作者感谢弗吉尼亚理工大学卡里里昂研究所所长迈克尔·弗里德兰德博士鼓励我们的研究努力。该项目得到了S.M.M和D.F.K.的发展基金的支持，部分得到了弗吉尼亚理工大学关键技术和应用科学研究所的纳米生物倡议的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| E-chips, spacer chip | Protochips, Inc. | EPB-52TBD | 400 μm x 50 μm window |
| E-chip, top chip | Protochips, Inc. | EPT-45W | 400 μm x 50 μm window |
| Ni-NTA lipid | Avanti Polar Lipids | 790404P | Powder form |
| DLPC (12:0) lipid | Avanti Polar Lipids | 850335P | Powder form |
| Volumetric flasks | Fisher Scientific | 20-812A; 20-812C | 1 ml; 5 ml |
| Hamilton Syringes | Hamilton Co. | 80300, 80400 | 1-10 μl; 1-25 μl |
| Whatman #1 filter paper | Whatman | 1001 090 | 100 pieces, 90 mm |
| Glass Petri dishes | Corning | 70165-101 | 100 mm x 15 mm |
| Glass Pasteur pipettes | VWR | 14673-010 | 14673-010 |
| Glass culture tubes | VWR | 47729-566 | 6 mm x 50 mm |
| Acetone | Fisher Scientific | A11-1 | 1 L |
| Methanol | Fisher Scientific | A412-1 | 1 L |
| Chloroform | Electron Microcopy Sciences | 12550 | 100 ml |
| His-tagged Protein A | Abcam, Inc. | ab52953 | 10 mg |
| Milli-Q water system | EMD Millipore Corp. | Z00QSV001 | Ultrapure Water |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | 500 g |
| Equipment | |||
| Poseidon In situ specimen holder | Protochips, Inc. | FEI compatible | |
| FEI Spirit BioTwin TEM | FEI Co. | 120 kV | |
| Eagle 2k HS CCD camera | FEI Co. | 10 Å/pixel sampling at 30,000X | |
| Gatan 655 Dry pump station | Gatan, Inc. | Pump holder tip to 10-6 range | |
| PELCO easiGlow, glow discharge unit | Ted Pella, Inc. | Negative polarity mode | |
| Isotemp heated stir plate | Fisher Scientific | Heat to 150 ºC for 1.5 hr |
References
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