Kryo-Elektronenmikroskopie-Screening-Automatisierung über mehrere Gitter hinweg mit Smart Leginon
1. Dezember 2023
Das Multi-Grid-Screening der Kryo-Elektronenmikroskopie (KryoEM) ist oft ein langwieriger Prozess, der stundenlange Aufmerksamkeit erfordert. Dieses Protokoll zeigt, wie Sie eine Standard-Leginon-Sammlung und Smart Leginon Autoscreen einrichten, um diesen Prozess zu automatisieren. Dieses Protokoll kann auf die meisten KryoEM-Löchrigfoliengitter angewendet werden.
Am Simons Electron Microscopy Center wollen wir lokalen und nationalen Forschern hervorragende Elektronenmikroskopie-Dienstleistungen, Fachwissen und Schulungen anbieten und innovative Methoden zur Optimierung von Arbeitsabläufen entwickeln. Unser Leistungsspektrum umfasst Service, Entwicklung, maschinelles Lernen und biomedizinische Forschung. Wir versuchen zu beantworten, wie wir unsere Dienstleistungen besser optimieren können.
Maschinelles Lernen verändert das Feld der Elektronenmikroskopie. Die Datenerfassung wird automatisiert. Datenanalysetools werden immer effizienter.
Dazu gehören die Entrauschung von Bildern, die Partikelauswahl, die 3G-Flexibilitätsanalyse und die Modellerstellung. Wir aktualisieren die Software regelmäßig, um verschiedene Situationen zu berücksichtigen, wie z. B. verschiedene Rasterlöcher, geneigte Sammlungen oder Fehler, die durch Beta-Testsoftware in unserer Produktionsumgebung identifiziert wurden. Wir integrieren auch das Feedback unserer Benutzer, sodass wir kontinuierlich Funktionen bereitstellen, die für sie nützlich sind.
Smart Leginon übernimmt die arbeits- und zeitaufwändigen Aufgaben des Screenings eines oder mehrerer Gitter auf einem KryoTEM. Es ermöglicht Betreibern und Forschern, Netze schneller zu screenen und zu analysieren und gleichzeitig Zeit für die parallele Optimierung der Netz- und Probenbedingungen zu gewinnen. Dies reduziert auch den Zeit- und Kostenaufwand für das Mikroskop.
Smart Leginon Autoscreen bietet ein vollständig unbeaufsichtigtes Multigrid-Screening, das etwa 10 Minuten dauert, um das Screening für 12 Raster einzurichten. Im Vergleich zum manuellen Screening spart unser Protokoll mehrere Stunden pro Tag. Seit der Einführung von Smart Leginon wurden andere freie und kommerzielle Software für eine ähnliche Automatisierung entwickelt.
Übersicht
Dieses Protokoll beschreibt die Automatisierung der Kryo-Elektronenmikroskopie-(cryoEM-)Mehrgitter-Screenings unter Verwendung von Smart Leginon Autoscreen. Durch die Vereinfachung des Einrichtungsprozesses können Forscher die für das Gitter-Screening benötigte Zeit erheblich verkürzen, was eine effizientere Analyse und Optimierung der Probenvorbereitungsbedingungen ermöglicht.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Kryoelektronenmikroskopie
- Automatisierung in der Mikroskopie
- Bildanalyse
Hintergrund
- Die Kryo-EM-Mehrfachraster-Screening ist traditionell arbeitsintensiv.
- Automatisierung kann die Effizienz steigern und Kosten senken.
- Smart Leginon Autoscreen ermöglicht unbeaufsichtigtes Screening.
- Maschinelles Lernen verbessert die Datensammlung und -analyse in der Elektronenmikroskopie.
Zweck der Studie
- Automatisierung des Cryo-EM-Mehrgitter-Screening-Prozesses.
- Reduzierung des Zeitaufwands und des Arbeitsaufwands für die Gitteranalyse.
- Optimierung der Arbeitsabläufe für Forscher in der Elektronenmikroskopie.
Verwendete Methoden
- Einrichtung der Leginon-Schnittstelle für die automatisierte Bildschirmprüfung.
- Konfiguration verschiedener Ziel- und Belichtungseinstellungen.
- Nutzung der Ptolemy-Anwendung für die Bildverarbeitung.
- Integration von Benutzerfeedback zur kontinuierlichen Verbesserung.
Hauptergebnisse
- Smart Leginon Autoscreen verkürzt die tägliche Screening-Zeit um mehrere Stunden.
- Bediener können mehrere Gitter effizient screenen.
- Durch Automatisierung ist eine parallele Optimierung der Gitter- und Probeneinstellungen möglich.
- Kontinuierliche Software-Updates verbessern die Funktionalität entsprechend den Anforderungen der Nutzer.
Schlussfolgerungen
- Die Automatisierung in der Kryoelektronenmikroskopie verbessert die Effizienz des Arbeitsablaufs erheblich.
- Smart Leginon Autoscreen ist ein wertvolles Werkzeug für Forschende.
- Zukünftige Entwicklungen werden die Automatisierung und Datenanalyse voraussichtlich weiter verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die automatisierte Gitterprüfung mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) mit Smart Leginon behebt einen kritischen Engpass in Workflows der Strukturbiologie und der Entdeckung von Biopharmazeutika. Durch die Verringerung des Bedienereinsatzes und die Steigerung der Durchsatzrate verbessert diese Automatisierung die Effizienz der strukturbasierten Arzneimittelentdeckung in frühen Phasen sowie die Zielvalidierung. Der Ansatz ermöglicht eine skalierbare und reproduzierbare Untersuchung mehrerer Gitter und unterstützt damit fundierte Entscheidungen an entscheidenden Wendepunkten der Entdeckungspipeline.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Beschleunigt die strukturelle Untersuchung makromolekularer Komplexe zur Zielvalidierung.
- Ermöglicht eine schnelle Optimierung von Proben- und Rasterbedingungen und verringert so experimentelle Unschärfen.
- Unterstützt die Vorhersagegenauigkeit struktureller Hypothesen für die Portfolio-Priorisierung.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte Kryo-EM-Gitter für nachgeschaltete Workflows zur Datensammlung mit hoher Auflösung vor.
- Standardisiert die Gitterprüfung und verbessert dadurch die Reproduzierbarkeit und quantitative Beurteilung der Probengüte.
- Ermöglicht eine skalierbare, automatisierte Prüfung, um eine zuverlässige Bewertung mehrerer Bedingungen zu gewährleisten.
Translationale und präklinische Forschung
- Liefert strukturelle Erkenntnisse, die bei Relevanz die translationale Biomarker-Abstimmung unterstützen.
- Stellt die Kontinuität von der Entdeckungsphase der Screening-Untersuchungen bis zur präklinischen strukturellen Validierung sicher.
- Verringert das Risiko, indem eine frühzeitige Identifizierung optimaler Probennahmebedingungen für die weitere Entwicklung ermöglicht wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Smart Leginon Autoscreen ist in den Entdeckungsprozess von der frühen Probennoptimierung über die Identifizierung von Leitverbindungen bis hin zur präklinischen strukturellen Validierung integriert.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen, indem schnelle, reproduzierbare Rastereinsicht ermöglicht wird.
- Screening: Liefert standardisierte, quantitative Ergebnisse zum Vergleich von Raster- und Probeneinstellungen.
- Analytik: Bietet bildgebende Verfahren mit hohem Informationsgehalt und statistische Auswertungen, um die Auswahl von Rastern für die Datenerfassung mit hoher Auflösung zu unterstützen.
- Translationale Forschung: Gewährleistet strukturelle Kontinuität für Biomarker- und Mechanismusstudien, sofern durch den Arbeitsablauf unterstützt.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine skalierbare, wiederverwendbare Automatisierungsfähigkeit für Screenings mit Mehrfachprojektanforderungen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei strukturellen Studien.
- Operationaler Wert: Standardisiert und skaliert die Raster-Screenings und reduziert die Bedienzeit von Stunden auf Minuten.
- Strategischer Wert: Ermöglicht bessere Go/No-Go-Entscheidungen und eine effizientere Kapitalnutzung, indem die strukturelle Validierung in frühen Stadien beschleunigt wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung strukturell validierter Zielstrukturen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Probenvorbereitung für die Kryoelektronenmikroskopie und der Optimierung von Gittern.
- Hängt von dem Zugang zu automatisierten Kryoelektronenmikroskopie-Geräten und kompatibler Softwareinfrastruktur ab.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams hinsichtlich der Screening-Parameter und des Datenmanagements.
- Kann eine Anpassung für verschiedene Gittertypen oder Probengruppen erfordern, sofern dies durch die Software unterstützt wird.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören die Verfügbarkeit von Mikroskopen und die anfängliche Einrichtung automatisierter Arbeitsabläufe.
