6 במאי 2010
אנחנו כאן להמחיש כיצד להשתמש אלקטרונים cryotomography (ECT) כדי ללמוד את ultrastructure של תאים חיידקיים של כמעט ילידי מדינות, כדי "macromolecular" (~ 4 ננומטר) החלטה.
בסרטון זה, תמונות תלת מימד של תאי חיידקים במצבים קרובים ילידים ברזולוציה מולקולרית נוצרות על ידי טומוגרפיה קריו אלקטרונים. זה מושג על ידי הקפאת תאים שלמים בצלילה ראשונה, או לחילופין הקפאה בלחץ גבוה והקפאה של כדורי התא. סדרה של תמונות הקרנה M נרכשות ומשמשות ליצירת שחזור תלת מימדי, או טום גרהאם, המפולח ומנותח חישובי נוסף.
היי, אני גרנט ג'נסן מהמחלקה לביולוגיה בקלטק, וזו סוניה צ'ן שארגנה את המצגת שלנו. היום אנו הולכים להראות לכם כיצד לבצע טומוגרפיה קריו אלקטרונים של תאי חיידקים. בדרך כלל, אדם יחיד יבצע את כל ההליך, אך מכיוון שהפרוטוקולים שלנו פותחו באמצעות ניסיון משותף, נכלול את כל מי שעובד כעת במעבדה.
בנוסף לסוניה ולי בסרטון, תוכלו לראות את מייגן דוברו, אריאנה, ברי, מיגל, אליסטר מקדואל, מארק רודינסקי וג'ן. היא הפיקה את צילומי מסך המחשב וסייעה בהכנת הפרוטוקול הכתוב הנלווה כולל מורגן ביבי, מרטין פילר, ג'יין דינג, ג'ו לי, לו גאן, עליזה טובה ודילן מוריס. אריאנה תתחיל אותנו בכך שתראה לכם כיצד אנו צוללים להקפיא תאי חיידקים.
עבור תאי חיידקים דקים, תרחיף של תאים שלמים צולל קפוא על פני רשת EM. כאן התהליך מודגם באמצעות מקפיא צלילה אוטומטי מסחרי התחל בבחינת תרביות החיידקים כדי לוודא שהן נקיות ממזהמים ובמפגש או ריכוז מתאים זוהר לפרוק את רשת ה- EM המצופה פחמן למשך שתיים עד ארבע דקות. לאחר מכן, מערבבים 100 מיקרוליטר של תמיסת זהב קולואידית עם 25 מיקרוליטר של תמיסת BSA של 5%.
צנטריפוגה את התערובת בחום של 18, 000 גרם למשך 15 דקות. לאחר הצנטריפוגה, הסר את הסופרנטנט והשהה מחדש את כדור הזהב. ב-20 מיקרוליטר של תמיסת תאים, מקם את רשת ה-EM בבוט Vitra ב-100% לחות.
לאחר מכן מרחו ארבעה מיקרוליטרים מתערובת התאים על רשת ה-EM המשוחררת הזוהר. הרשת נמחקת אוטומטית משני הצדדים בנייר סינון כדי להסיר עודפי נוזלים, ואז צוללת במהירות לתערובת נוזלית של אתאן ופרופאן, המקוררת על ידי חנקן נוזלי. הסר בזהירות את הרשת מתערובת הפרופאן אתאן והעביר אותה במהירות לקופסת אחסון רשת השמורה מתחת לחנקן נוזלי עבור תאים עבים יותר, הקפאה בלחץ גבוה מונעת התגבשות קרח.
הקפאה שלאחר מכן הופכת את הדגימות לדקות מספיק עבורם. ההדמיה מתחילה בצנטריפוגה של 15 מיליליטר תאים ב-1000 סל"ד למשך שלוש דקות. לאחר הצנטריפוגה, הסר את תערובת הסופרנטנט 0.5 מיליליטר מכדור התרבות שנותר עם 0.5 מיליליטר של 20% דקסטרין קריופרוטקטנט.
ואז שוב צנטריפוגה ב -13, 000 סל"ד למשך 15 שניות. לאחר הגלולה של התאים, הסר את הפיפטה הסופרנטנטית 0.1 מיליליטר של משחת הסופר גלולה לקצה מיקרו פיפטה אטום בחום, שכבר מכיל 0.2 מיליליטר של צנטריפוגה קריופרוטקטנטית של 20% דקסטרין. התערובת בקצה המיקרו פיפטה ב -13,000 סל"ד למשך 30 שניות.
לאחר הסיבוב, הסר את הסופרנטנט. כדור הדוק של 5 עד 10 מיקרוליטר נראה בקצה האטום. העבירו את העיסה לחצי כיפה אחת של פלנצ'ט כיפה פליז מצופה טפלון שכבר הותקן בזרוע מחזיק המקפיא בלחץ גבוה, ואז אטמו עם כובע הפליז השותף השטוח שלו.
לאחר מכן הכנס מיד את מכלול הזרוע למקפיא בלחץ גבוה דרוך. בלחץ של 2100 בר, יחידת הפלנצ'ה המשולבת מפליז המכילה את התאים מקוררת במהירות על ידי סילון של חנקן נוזלי בלחץ גבוה. לאחר שהתאים התקררו, הסירו במהירות את מכלול הזרוע וצללו אותו במהירות לתוך אמבט של חנקן נוזלי כדי למנוע מהפלנצ'ט להתחמם.
לאחר מכן, העבירו את הפלנצ'ט לצ'אק דמוי סגן מיקרוטום קריו קריר מראש המותקן היטב בתא המיקרוטום הקריו כדי לחשוף את כיפת התאים הקפואה היטב לחתך. שני לוחות הפליז מופרדים בזהירות תחת חנקן נוזלי. כיפת תאים קפואה לחלוטין תהיה מזוגגת במראה וללא סדקים וסדקים בגרעיני קרח.
באמצעות המיקרוטום הקריו, עצב את אזור הכיפה החיצונית לפחות מ-0.2 מילימטרים רבועים באמצעות כלי חיתוך היהלומים עם מהירות חיתוך מהירה ועומק של כ-200 מיקרומטר עם ריסוס אנטי סטטי המכוון לסכין הזווית הנמוכה ורשתות התמיכה הנחושת. בסמיכות, קדם בזהירות את סכין היהלום אל פני הבלוק המלוטש באמצעות מהירות חיתוך של כ- 0.4 מילימטרים לשנייה וחלון חיתוך צר. התחל לחתוך פרוסות בעובי 50 עד 350 ננומטר.
תמרנו מוליך ריסים עדין כדי לתפוס את החלקים הראשונים, להחליק מקצה סכין היהלומים בזווית נמוכה וכדי לתמוך ולהנחות את סרטי החלקים על פני תמיכת רשת הנחושת. לאחר טעינת הרשת, השתמש בבדיקה מכסף מלוטש מקורר כדי ללחוץ בחוזקה על הסרטים. אחסן את הרשתות בקופסאות הרשת במשלוח יבש מקורר חנקן נוזלי עד שהמיקרוסקופ מוכן.
ניתן לדמות את תאי החיידקים על הרשת באמצעות מיקרוסקופ אור קריו. כאן, ייעשה שימוש במיקרוסקופ הפוך מותאם אישית של ניקון, TIB עם שלב קריו FEI שונה. טען את הרשתות למחסניות בתחנת הקריו והצמד אותן באמצעות טבעות קליפס הנחושת, ולאחר מכן הנח את המחסנית בצינור בחנקן נוזלי להעברה.
טען עד שתי מחסניות לשלב הקריו הטרום-קריר והעבר את הרשת לחלון הצפייה. לאחר מכן הורד את עדשת המעבה ומקד את עדשת האובייקט על הרשת. מצא את התאים וצלם תמונות.
למחקר LM ו-EM בקורלציה. הרשת נסרקת סביב אזור התאים לאיתור התאים מאוחר יותר ב-em. לאחר הדמיית הרשת, החזירו את המחסנית לתוך הצינור ושמרו את הצינור בחנקן הנוזלי עד שהוא מוכן להדמיה ב-EM כדי לקבל TOM תלת-ממדי של תא החיידק.
סדרה של תמונות הקרנה מצולמות בזמן שהדגימה מוטה בהדרגה לאורך E אחד או שניים ב-cryo TEM כאן, ההליך מודגם באמצעות לגון עם עומס קוטבי קריו T-E-M-F-E-I-T-F 30 עד שש מחסניות לתוך מחזיק בחירה מרובה בתחנת הקריו. לאחר מכן חבר אותו ל-TF 30 Polar בחר מחסנית אחת והכנס אותה לעמודת EM. התחל מקרא בתוכנת לקוח במחשב EM.
הזן את תנאי התמונה עבור המקרא בהפעלה. בחר יעדים בתמונות החל מהגדלה הנמוכה ביותר ושלח אותם לשלב הבא בהגדלה גבוהה יותר. לאחר מכן סדרו את כל היעדים לאיסוף סדרות הטיה והגישו את כולם לשלב הטומוגרפיה הסופי.
רכוש סדרה של תמונות. הדגימה תוטה בהדרגה לאורך ציר אחד או שניים בקריו TEM. לאחר סיום הניסוי, הורד את סדרת ההטיה שהושלמה לתחנת עבודה מקומית לשחזור.
טומו גרהם של תאי החיידקים מחושבים באמצעות תוכנה מיוחדת. התוכנית Raptor משמשת לשחזור טומס באופן אוטומטי וניתן להשתמש ב-e tomo כדי לעשות זאת באופן אוטומטי למחצה. בדוק את סדרת ההטיה באמצעות מציג המוד התלת-ממדי של Im MOD והשליך כל מה שסביר להניח שבגלל מעקב או שגיאות אחרות לא צפויות לייצר.
טומו ראפטור טוב מופעל על גבי מכונות לינוקס במעבדה באמצעות ההגדרות הבסיסיות. זה לוקח 20 דקות עד שעתיים בהתאם לגודל הקובץ כדי ליצור את הטומוגרף. כאשר Raptor נכשל או חוקר רוצה להבטיח שהשחזור יהיה אופטימלי, ניתן להשתמש ב-EMO כדי ליישר את התמונות בזהירות ביד.
בצע את השלבים של כל כרטיסייה בממשק המשתמש הגרפי של e tomo כדי לשחזר את טום גרהם מסדרת Tilt. אנו משתמשים במסד נתונים פנימי מבוסס אינטרנט כדי לארגן, לאחסן, לחפש ולהפיץ את הנתונים הטומוגרפיים. דף הגלישה הראשי מציג תמונה ממוזערת וסרט דמוי YouTube מוצג.
על כל טומו גרהאם. לאחר קבלת הטומו, גרהם, ניתן לפלח תכונות בודדות כדי לעזור לדמיין את צורותיהם. בפילוח תלת מימד הוא התהליך של הקצאת כל vle של התמונה התלת מימדית לאזור או חומר מסוים.
כאן נעשה שימוש בתוכנת מראה ליצירת מודל פני השטח שבו כל אזור מוצג בצבע שונה ומוצג בסרטי תלת מימד ואנימציות של הטומו. ניתן לגרום לגרהם לסכם פרויקטים ולהמחיש ממצאים בגרפיקה תלת מימדית. ייצוג. ניתן להשתמש בתוכנות כגון Amira או Kymera כדי לעבד את תמונות הסטילס הבודדות של הסרט והפרסומת.
ניתן להשתמש בתוכנת עריכת סרטים כגון Adobe Premier לעריכת התוכנה המסחרית לסרטים. מאיה משמשת ליצירת האנימציה. זה יכול לקחת את המשטחים מאמירה, לבנות פריימים מרכזיים ולעבד לסרט.
כאן מוצגת סדרת הטיה מייצגת של נתוני תא שלם עבור Spiro Treponema Promesa, ואחריה מבט פרוסה אחר פרוסה של טום אגראם המשוחזר. פילוח של תא T Promesa מבדיל בין הממברנה החיצונית, הממברנה הפנימית ומבני פני השטח שלו, כולל קערות משטח וארקייד וו משטח. החיידק הוא דגל ומנוע אולרי, חרוט פרי פלזמי ופילאי.
מודל מכני זה מראה כיצד הספירוכטה טרפונמה פרומסה שוחה והגליל הפנימי או הליבה מוקפים במעטפת חיצונית. הדגלים נעים כמו גלילי צבע בין הגליל הפנימי לנדן החיצוני. כאשר הדגל מסתובב, מונה הצילינדר הפנימי מסתובב בתוך המעטפת החיצונית.
בסביבה לא צמיגה, התא מסתובב ללא תועלת, אך בסביבות צמיגות כמו אלה שבהן T Promesa נמצא בטבע, סיבים חיצוניים או עצמים אחרים מתנגדים לסיבוב של המעטפת החיצונית, מאיצים את סיבוב הגליל הפנימי ומספקים חומרים שהתא יכול לדחוף כנגדם כשהוא קודח את עצמו קדימה. מוצגים כאן תאי T promeus אמיתיים כפי שנצפו דרך מיקרוסקופ אור. זה עתה הראינו לך כיצד לבצע טומוגרפיה קריו אלקטרונים של תאי חיידקים.
כמובן, אנו מבינים שסוג זה של עבודה דורש השקעות גדולות. המיקרוסקופים הקריו-אלקטרונים והמיקרוסקופים הקרואורסצנטיים הם מתוחכמים ויקרים, וגם אותם יש לצטט כראוי. לדוגמה, היסוד של חדר זה הוא לוח בטון מבודד מכנית, בעובי של כמה מטרים, המונח על קרקע דחוסה במיוחד.
מערכת המיזוג מעוצבת גם בהתאמה אישית עם תעלות גדולות וקימורים עדינים לשמירה על טמפרטורה קבועה ללא כל טיוטות או מערבולת. הווילונות שאתה רואה ממוקמים כדי להפחית את הרעש האקוסטי. ולבסוף, אנו מוודאים שהחדר הזה נקי משדות אלקטרומגנטיים מפריעים.
בעוד שהניתוחים שהראינו לכם במיקרוסקופ הם כעת אוטומטיים ברובם, בעיות עדיין מתעוררות לעתים קרובות ודורשות אבחון מומחה. עם זאת, אנו מקווים שצפייה בסרט זה עזרה לך להעריך את הנהלים והמכשור הכרוכים בעבודה מסוג זה. תודה על תשומת הלב.
מאמר זה מדגים את השימוש בקריוטומוגרפיה אלקטרונית (ECT) להדמיית המבנה הפנימי של תאים חיידקיים במצבים כמעט טבעיים וברזולוציה מקרומולקולרית. התהליך כולל טכניקות הקפאה מהירה והקפאה בלחץ גבוה להכנת דגימות לצילום.
Electron cryotomography (ECT) enables near-native, macromolecular-resolution 3D imaging of bacterial cells, addressing a critical resolution gap in structural biology. This capability supports target validation by revealing the spatial organization of cytoskeletal elements, macromolecular assemblies, and subcellular architectures in disease-relevant systems. ECT-derived structural insights facilitate mechanistic de-risking in early discovery by linking ultrastructural features to functional phenotypes, informing lead identification and predictive confidence in antimicrobial or anti-virulence strategies.
ECT fits within the discovery continuum from target validation through lead optimization, providing structural data that informs mechanistic understanding and supports iterative design cycles in antimicrobial development.