$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
טומוגרפיה אלקטרונית קריוגנית (CryoET) מאפשרת הדמיה של דגימות ביולוגיות במצב כמעט טבעי ברזולוציה מקרומולקולרית 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . עם זאת, עובי התאים האיקריוטיים - לעתים קרובות כמה מיקרונים - עולה על הנתיב החופשי הממוצע (~300 ננומטר) של אלקטרונים של 300 קילו וולט, מה שמגביל את עומק החדירה של אלקטרונים לא מפוזרים ובכך מגביל את עובי הדגימה השמיש. כדי לטפל בכך, ניתן להשתמש בקרן יונים ממוקדת (FIB) כדי להסיר את רוב התא השמור קריוגנית בתהליך המכונה כרסום CryoFIB, לייצר למלות דקות מספיק עבור הדמיית CryoET 12,13,14,15,16.
בתהליכי עבודה שדווחו בעבר, הדגימות נשמרות תחילה בקרח מזוגג באמצעות הקפאת צלילה 17,18,19 ולאחר מכן נטענות למכשיר בעל קרן כפולה המצויד הן ב-CryoFIB והן במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). ניתן להשתמש בהדמיית SEM כדי לזהות תכונות תת-תאיות מעניינות כגון אברונים ואפילו כמה מבנים חלבונים20,21. ניתן להשתמש במידע זה כדי לכוון את תהליך הטחינה של CryoFIB, שבו הדגימה מוסרת בצורה מדורגת במטרה לייצר למלה בעובי של פחות מ-200 ננומטר המתאימה ל-CryoET 13,14,22. עם זאת, גישה זו מציגה שני אתגרים מרכזיים שהפרוטוקול הנוכחי מתמודד איתם. ראשית, לעתים קרובות יש צורך להשיג CryoET של מבנים חלבונים ספציפיים, אך ה-SEM יכול להזיק, ורוב המבנים החלבונים אינם ניתנים להבחנה על ידי ה-SEM בעת הדמיית חומר ביולוגי לא מוכתם. כיצד ניתן להנחות במדויק את הטחינה לאזורים תת-תאיים ספציפיים או לאזורים המכילים ביומולקולות ספציפיות בצורה נטולת נזק? שנית, גם לאחר ייצור למלות דקות ו-CryoET שלאחר מכן, זה יכול להיות מאתגר לזהות ביומולקולות ספציפיות בשחזורים הסופיים עקב רזולוציה לא מספקת, יחס אות לרעש ו/או ניגודיות הנדרשים לזיהוי חד משמעי. כיצד ניתן לקבוע את המיקומים המרחביים של ביומולקולות אלו בתוך שחזורי cryo-ET?
כדי להתמודד עם שני האתגרים, התחום פנה יותר ויותר למיקרוסקופיה פלואורסצנטית. חלבונים פלואורסצנטיים מקודדים גנטית או צבעים אקסוגניים הקושרים חלבוני מטרה משמשים באופן שגרתי לסימון ביומולקולות ספציפיות מעניינות 5,23,24. ניתן לתאם מיקרוסקופיה פלואורסצנטית קריוגנית של תאים מזוגגים שנלקחו לאחר הטחינה עם הטומוגרמות המתקבלות. גישה זו, המכונה מיקרוסקופ אור ואלקטרונים מתאם קריוגני (CryoCLEM), מבוססת היטב ונעשה בה שימוש נרחב כדי למקם חלבונים ספציפיים בתוך שחזורי CryoET 5,12,23,24. ההתקדמות האחרונה כוללת שימוש בביו-חיישנים פלואורסצנטיים ובשיטות סופר-רזולוציה כדי לשפר מידע משלים ודיוק מרחבי 25,26,27,28,29.
CryoCLEM היא אחת הדרכים להתגבר על האתגר השני שזוהה לעיל, המאפשרת לקבוע את מיקומם של חלבונים ספציפיים בתוך הלמלה. עם זאת, CryoCLEM לא עושה דבר עבור המשתמש אם הלמלה הסופית אינה מכילה את החלבונים המעניינים. למרבה המזל, ניתן להשתמש במיקרוסקופיה פלואורסצנטית גם כדי לכוון את הטחינה לאזורי עניין מסומנים. בעוד שכרסום FIB מונחה פלואורסצנטי הוא פיתוח חדש יותר מ-CryoCLEM, זרימות עבודה ראשוניות שהופיעו לפני כעשור12, הוא מצא אימוץ מהיר ונרחב. הפרוטוקולים המוקדמים הסתמכו על מיקרוסקופי אור חיצוניים כדי לרכוש מערכי נתונים פלואורסצנטיים דו-ממדיים או תלת-ממדיים, אשר נרשמו לאחר מכן לתמונות SEM וקרן יונים לאחר העברת הדגימה ל-CryoFIB-SEM. לאחרונה, מיקרוסקופים פלואורסצנטיים שולבו ישירות בתאי ואקום CryoFIB-SEM. שילוב זה מפחית את זיהום הקרח במהלך ההעברות ומאפשר הדמיה של הלמלה הסופית ביתר קלות. כעת פותחו מספר פלטפורמות לשילוב מיקרוסקופיה פלואורסצנטית עם CryoFIB-SEM לכרסום מונחה פלואורסצנטי. אלה התמקדו בהצלחה באברונים ובמתחמי חלבון גדולים 5,23,24. עם זאת, למעט כמה יוצאים מן הכלל30, הנתיב האופטי מייצר מישור מוקד נפרד באזור פיזי אחר של תא הוואקום מה-FIB-SEM. כתוצאה מכך, עדיין נדרש רישום מדויק בין תמונות פלואורסצנטיות ויונים כדי לכוון את הכרסום, בדיוק כפי שנדרש בשימוש במיקרוסקופים אופטיים עצמאיים.
תהליך רישום זה נוטה לאי דיוק עקב שלושה גורמים עיקריים: אי התאמות מקדם שבירה (הגורמות לתזוזות מוקד לכאורה)31,32, תנועת דגימה במהלך כרסום ושגיאת לוקליזציה. יתר על כן, הרישום נעזר בדרך כלל על ידי פידוציאלים פלואורסצנטיים בגודל מיקרון הנראים הן בשיטות יונים והן באופטיות ומשמשים כזוגות נקודות יישור לחישוב טרנספורמציות בין היונים לתמונות האופטיות. עם זאת, חרוזים אלה יכולים לטשטש או להתחרות באות הקרינה מהדגימה, והלוקליזציה והיישור שלהם על פני תמונות אופטיות ויונים הם איטיים ועתירי משתמש. יחד, מגבלות אלה פגעו במיקוד שגרתי של מאפיינים קטנים ונדירים. אמנם קשה להגדיר גבול מדויק למבנים שניתן לשמר כיום בלמלה דקה, אך גישות מבוססות רישום נחשבות בדרך כלל לא יעילות ללכידת מטרות עם ממדים ציריים מתחת למיקרוןאחד 33.
כאן, אנו מדווחים על שימוש במערכת הדמיה תלת-מקרית המשלבת FIB, SEM ומיקרוסקופיה פלואורסצנטית במיקום מוקד יחיד34,35. תצורה זו מאפשרת כרסום מונחה פלואורסצנטי פשוט ומדויק יותר בהשוואה לאינטגרציות שאינן מקריות על ידי ביטול הצורך ברישום תמונות אופטיות ויונים. בתנאים אידיאליים של רקע נמוך ואות גבוה, ניתן להשיג דיוק הנחיה בסדר גודל של 10 ננומטר36. זה גם מאפשר רכישת נתוני מיקרוסקופיה פלואורסצנטית קריוגנית רב-צבעונית לאורך תהליך הטחינה, כולל מהלמלה הדקה הסופית, מה שמאפשר ניתוח מתאם ולוקליזציה של מטרות מוגבלות תת-עקיפה35. כדי להשיג זאת, אנו משתמשים בערכת כלים מותאמת אישית לשינוי תמונה כדי ליישר במדויק את תמונות הקרינה הללו עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור בהגדלה נמוכה כדי לקבוע היכן לאסוף CryoET, לייעל את איסוף הנתונים ולהבטיח לכידת יעד בשחזורים הטומוגרפיים הסופיים.
כדי להנחות את הכרסום, אנו מנצלים את יכולת המערכת לנטר שינויים בעוצמת הקרינה בזמן אמת. במקום לנסות ליישר תמונות אופטיות ויונים כדי למצוא את המטרה שלנו, המשתמש פשוט צופה באות הפלואורסצנטי מהדגימה. ככל שהטחינה מתקדמת, הקרינה מתנהגת בצורה אופיינית מאוד: תחילה היא נעשית בהירה יותר כאשר מסירים את סרט התמיכה בפחמן בין אובייקט המיקרוסקופ לדגימה המסומנת פלואורסצנטית, ואז פוחתת בהדרגה כאשר חומר אוטו-פלואורסצנטי שאינו ממוקד נטחן, ולבסוף, יורד בחדות ככל שהמבנה המסומן עצמו מוסר חלקית. אות זה בזמן אמת קובע בדיוק היכן נמצא בתהליך הטחינה ומתי להפסיק את הטחינה, ומבטיח כי יעד העניין נשמר בתוך הלמלההסופית 37. בפרוטוקול המפורט, נדון גם בגישה מתקדמת יותר המשתמשת בתנודות בבהירות הקרינה עקב השפעות אינטרפרומטריות כדי להנחות כרסום לעצמים בהיקף צירי של <300 ננומטר.
אנו מדגימים את התועלת של הפלטפורמה על ידי התמקדות במרכז ארגון המיקרו-צינורות (MTOC)38. ה-MTOC הוא אברון קריטי המעורב בחלוקת תאים והתמיינותם. בתאי יונקים, מיקרוסקופ פלואורסצנטי של טובולין מסומן חושף את ה-MTOC כנקב פלואורסצנטי יחיד בקוטר של כ-1 מיקרומטר בתאים חיים. גישה זו שימשה כדי למקם בהצלחה את ה-MTOC בנאמנות גבוהה ללמלות דקות של תאים מזוגגים. הארגון המפורט של מיקרו-צינורות ב-MTOC והאינטראקציות שלהם עם אברונים אחרים מתגלים בשחזורים טומוגרפיים עוקבים. זרימת עבודה זו מאפשרת מיקרוסקופיה פלואורסצנטית מתאמת ברמת דיוק גבוהה ו-CryoFIB-SEM ללא רישום, הפחתת קלט המשתמש והרחבת הגישה למבנים סלולריים שבעבר היו קטנים באופן בלתי אפשרי כדי ללכוד בחוזקה עם גישות לא מקריות.
הגדרות ותיאור המכשיר
המיקרוסקופ האופטי המשולב מתואר בפירוט ב-Boltje et al.35, ופרטים נוספים על השימוש במיקרוסקופ המשולב ניתן למצוא בפרוטוקול34 שפורסם לאחרונה. המטרה משולבת מלמטה ומצוידת ביכולות מיקום x, y ו-z כדי לאפשר יישור קו עם נקודת המקרה FIB-SEM. כיום הוא פועל עם יעד NA של 100x, 0.85 עם מתקן כיסוי. הדמיה אופטית מתבצעת באמצעות זכוכית כיסוי, המגנה על המטרה מפני חומר מקרטע וקרינה הן מה-FIB והן מה-SEM. תאורת שדה רחב מסופקת על ידי קבוצה של נוריות LED המשתרעות על פני מספר אורכי גל גלויים. זיהוי הקרינה מתבצע באמצעות גלאי sCMOS. ישנם שלושה עמדות במה מוגדרות: טעינה: מיקום הבמה שבו נטענת הדגימה; ציפוי: מיקום הבמה לציפוי באמצעות מערכת הזרקת הגז; 3-Beam: מיקום הבמה שעבורו ניתן ליישר את כל שלושת המיקרוסקופים (FIB, SEM ואופטיים).