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Mit den jüngsten Fortschritten sowohl bei der Instrumentenhardware 1,2 als auch bei der Bildverarbeitungssoftware 3,4,5 hat sich die kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) zu einem beliebten und leistungsfähigen Werkzeug in der modernen Strukturbiologie entwickelt. Trotz dieser Durchbrüche gibt es nach wie vor Engpässe bei der Erzielung hochauflösender makromolekularer Strukturen mittels Kryo-EM. Eine dieser großen Herausforderungen ist die ungleichmäßige Partikelverteilung, einschließlich des Phänomens der Orientierungspräferenz, das vor allem an der Luft-Wasser-Grenzflächebeobachtet wird 6,7,8,9.
Während der Vitrifikation von Proben neigen einige Moleküle dazu, sich entlang bestimmter Achsen auf dem Gitter auszurichten. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Partikelansichten im endgültigen Datensatz. Bestimmte Orientierungen können überrepräsentiert sein, während andere unterrepräsentiert sind oder ganz fehlen, was zu einer unvollständigen Probenahme der gesamten Proteinarchitektur führt. Regionen des Proteins, die bevorzugt zum Elektronenstrahl orientiert sind, erscheinen in der Dichtekarte deutlicher, während Regionen, die vom Strahl weg orientiert sind, schlecht aufgelöst sein können oder ganz fehlen10,11. Folglich führt eine ungleichmäßige Partikelverteilung zu potenziellen Verzerrungen und Artefakten in die rekonstruierte dreidimensionale (3D) Struktur. Insbesondere können Schlüsselstrukturelemente wie Alpha-Helices und Beta-Faltblätter verzerrt werden, Aminosäure- oder Nukleotidketten können fragmentiert erscheinen und die Dichten bestimmter Protein- oder Nukleinsäuresegmente können Verzerrungen aufweisen12. Letztendlich stellen diese Fehldarstellungen eine große Herausforderung dar, um die Struktur und Funktion biologischer Moleküle genau zu entschlüsseln.
Um solche Herausforderungen zu meistern, werden derzeit verschiedene experimentelle Ansätze verwendet, darunter die Optimierung der Probenvorbereitung 13,14,15, die Gitterbehandlung 16,17,18,19,20,21,22 und die Datenerfassungsstrategie 23. Insbesondere wird empfohlen, die Herausforderung nach Möglichkeit bereits in der Phase der Probenvorbereitung anzugehen7. Zu den gängigen Optimierungen in der Probenvorbereitung gehören die Modifikation der Pufferzusammensetzung, die Einführung kleinmolekularer oder makromolekularer Bindungspartner, die Erzeugung intramolekularer Vernetzungen und die Variation von Detergenzien. Dies gilt auch für Membranproteine24,25, obwohl Detergenzien speziell für Reinigungs- und Stabilisierungszwecke verwendet werden müssen. Unter diesen machen die Anpassbarkeit, Kosteneffizienz und breite Zugänglichkeit der Proteinpufferoptimierung sie in den meisten Labors zu einer bevorzugten Strategie. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise und unmittelbare Anpassung der verschiedenen Parameter, um sie an die spezifischen Anforderungen jeder Proteinprobe anzupassen. Durch iterative Verfeinerung können Forscher systematisch verschiedene Pufferbedingungen testen und verschiedene Parameter anpassen, um bevorzugte Orientierungen zu minimieren und die Gesamtqualität der Kryo-EM-Daten zu verbessern. Die einfache Variation der Proteinpufferkomponenten und die Anpassung ihrer Konzentrationen hat sich als wirksam bei der Beeinflussung der Proteinstabilität durch Modulation der Oberflächenladung erwiesen und somit das Proteinverhalten im Glaseisbeeinflusst 25. Daher gilt die Optimierung der Proteinpufferzusammensetzung als einer der bequemsten und einfachsten Ansätze, um häufige Herausforderungen in der Kryo-EM zu bewältigen.
Hier wird ein Protokoll vorgeschlagen, um ein häufiges Hindernis in der Kryo-EM zu überwinden – die Überwindung einer ungleichmäßigen Partikelverteilung. In diesem Protokoll werden Schlüsselverfahren für die Proteinpräparation und das Pufferscreening, ergänzt durch die Gitterpräparation, anhand eines kleinen Hitzeschockproteins von Methanocaldococcus jannaschii (MjsHSP16.5)26 als Fallstudie skizziert (Abbildung 1). Dieses sHSP ist nativ stabil, hat eine Molekülmasse von 16,5 kDa pro Monomer und assembliert zu einem 24-mer-Oktaederkäfig26,27, was es zu einem attraktiven Kandidaten für die Strukturanalyse mittels Kryo-EM macht. Die Beobachtung einer ungleichmäßigen Partikelverteilung während der Kryo-EM-Datenerfassung war jedoch nicht zu erwarten und erwies sich während der Experimente als eine große Herausforderung. Darüber hinaus werden potenzielle Ansätze diskutiert, die für Forscher nützlich sind, die ähnliche Herausforderungen angehen und so die effiziente Aufklärung makromolekularer Strukturen mit Kryo-EM erleichtern.