本文概述了用于手动冷冻生物样品以进行单颗粒冷冻电子显微镜观察的印迹-投入法。
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本文概述了用于手动冷冻生物样品以进行单颗粒冷冻电子显微镜观察的印迹-投入法。
利用电子对生物样品进行成像,以通过单颗粒冷冻电子显微镜(cryoEM)实现高分辨率结构解析,需要将目标生物分子包埋在一层薄薄的玻璃态冰中。尽管近年来多项技术进步已推动单颗粒cryoEM成为结构生物学的前沿手段,但样品玻璃化制备方法往往仍是实现高分辨率成像的限速步骤。尽管近期已有大量研究致力于克服样品玻璃化过程中常遇到的困难,包括开发新型样品支撑膜和创新的玻璃化设备,但由于成本低廉且操作简便,传统的手动操作冷冻装置在cryoEM领域仍被广泛使用。本文提供了使用标准剪刀式手动 blot-and-plunge 装置制备适用于单颗粒cryoEM高分辨率成像的生物样品的详细方法。此外,还描述了常见问题及当标准制备方法未能获得合适样品时的故障排查建议。
单颗粒冷冻电子显微镜(cryoEM)是一种强大的结构生物学技术,可用于解析动态生物样品的近原子分辨率结构1,2,3,4。事实上,近年来直接电子探测器技术4,5,6,7,8,9,10、电子源性能的提升4,11,12,13,14以及电磁透镜稳定性的改进15,结合数据采集16,17和分析软件包的持续发展18,19,使得研究人员如今能够常规地以3 Å或更高的分辨率解析性质良好的样品结构4,11,13,14,20,21,22,23。尽管成像和数据处理能力已显著提升,冷冻电镜载网制备仍是实现高分辨率结构解析的最大障碍,常常成为电镜工作流程中的主要瓶颈24,25,26,27。
冷冻电镜(CryoEM)依赖于对生物样品在水溶液中成像,这些样品被快速冷冻形成一层薄的"玻璃态"冰——这一过程称为玻璃化,可保持生物分子的天然生化状态。用于冷冻电镜的生物样品玻璃化技术已有40多年历史28,29,30,许多为此开发的技术和设备均基于最初详述的“ blot-and-plunge”(吸滤-投入)法31,32,33,34,35,即先将少量样品(例如1–5 µL)施加到专用的电镜载网,再通过载网与滤纸的物理接触去除多余液体。该过程的时间通常需针对每种样品经验性地确定,因为冷冻样品的关键因素之一是玻璃态冰层的厚度:若冰层过厚,电子束散射增加将显著降低成像质量;而冰层过薄则可能限制蛋白质的取向,和/或使颗粒无法进入载网微孔的中心区域36。单颗粒冷冻电镜对理想冰层厚度的依赖,催生了多种可用于冷冻样品的技术与设备,包括机器人系统37,38、微流控技术42以及超声或喷雾装置27,39,40,41,42,43,44。近年来,一些最受欢迎的样品制备设备依赖于机器人系统,通过自动化的 blot-and-plunge 技术实现样品冷冻45。尽管这些设备旨在可重复地生成适合成像的冰层厚度,但其价格通常过高,单个实验室难以负担购买与运行成本,因此一般仅在冷冻电镜平台中以小时计费的方式提供使用。近年来,原始的手动 blot-and-plunge 技术重新受到更广泛的关注与应用3,47,48,49,50,51,52。事实上,手动操作的 blot-and-plunge 装置能够以远低于机器人设备的成本制备出高质量的冷冻电镜载网。 此外,手动吸滤还为使用者提供了更高的操作控制灵活性,研究人员可根据不同样品和具体研究问题,调整吸滤方式(例如载网背面吸滤、正面吸滤等)以及吸滤时间。
本文详细介绍了如何使用传统的手动 blot-and-plunge 玻璃化冷冻装置,并结合定制设计的杜瓦平台,高效冷冻生物样品53。文中提供了最佳操作实践,包括冷冻剂的准备、载网操作、样品施加与 blotting 步骤,以及常见问题和克服这些困难的建议。同时讨论了如何提高不同载网制备之间冰层厚度的可重复性,以及如何根据生物样品类型调整样品 blotting 方法。由于本文所述手动冷冻装置在采购和运行上的成本较低,全球各地的实验室均能以经济高效且可重复的方式为冷冻电镜(cryoEM)制备生物样品。
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1. 准备手动冷冻环境
注意:预计操作时间:5-30 分钟
2. 准备冷冻载样材料和配件
注意:预计操作时间:1-5 分钟
3. 准备冷冻剂杜瓦瓶和手动冲压装置
注意:预计操作时间:5-15 分钟
4. 准备冷冻剂
注意:预计操作时间:10-30 分钟
5. 准备电镜载网
注意:预计操作时间:1-5 分钟
6. 通过冷冻固定制备冷冻电镜样品
注意:预计操作时间:>10 分钟(每张载网约 1–3 分钟)
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成功执行此处所述的 blot-and-plunge 操作方案后,将形成一层薄而均匀的玻璃态冰,无任何六方冰、污染物以及不可用冰的大范围梯度,这些特征可在电子显微镜下观察到(图3)。若 blotting 纸与载网表面接触不一致、过早移除 blotting 纸,或在与载网接触过程中移动 blotting 纸,均会降低玻璃态冰的质量,并导致电镜载网上冰层厚度不均(图4)

图1:样品浸入室及所需设备。A) 本文所...
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用于单颗粒冷冻电子显微镜(cryoEM)成像的生物样品玻璃化冷冻,仍是成功进行结构解析的关键步骤。本方案所述的手动 blot-and-plunge 方法是一种经济、可靠且稳健的技术,可快速将生物样品冷冻在适于 cryoEM 成像的薄层玻璃态冰中。通过本文稿所述方法,研究人员将能够组装和操作手动冷冻装置,制备适用于生物样品快速冷冻的冷冻剂,并手动对载有生物样品的电镜载网进行 blot-and-plunge 操作。尽管该方法具有较强的稳健性,但在关键步骤中仍需谨慎操作,以获得适用于高分辨率成像的最佳冰层厚度和质量。下文列出了若干关键步骤,并提供了相应的故障排除建议。
必须正确放置手动冲压臂,以确保在冲入后载网位于黄铜容器内液态乙烷的中心位置。若冲压臂的高度或位置不当,或未正确固定镊子,均可能导致夹紧镊子、电镜载网甚至手动冲压装置的损坏。如上所述,我们在制备生物样品前总会至少进行一次试运行,以确认成功冲入后电镜载网能够准确位于黄铜乙烷容器的中心(图1C)。此外,每次载网冷冻后,我们还会对冲压杜瓦瓶的位置进行微调,以优化载网在乙烷...
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我们没有需要披露的内容。
感谢Herzik实验室成员对本文稿及视频内容进行的深入思考和反馈。M.A.H.Jr. 的研究工作由美国国立卫生研究院(NIH)R35 GM138206项目资助,并获得Searle学者项目支持。H.P.M.N. 受分子生物物理学培训项目(NIH T32 GM008326)资助。我们还要感谢斯克里普斯研究所的Bill Anderson、Charles Bowman以及Gabriel Lander博士在视频中所示手动冲压器的设计、组装和测试过程中提供的帮助。
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| 用于储存 Whatman 滤纸的 150 mm 玻璃培养皿 | Fisher | 08-747F | |
| 250 mL 烧杯 | Fisher | 02-555-25B | |
| 蓝色泡沫聚苯乙烯杜瓦瓶 | Spear Lab | FD-500 | |
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