Method Article

200 kV透過電子顕微鏡とデュアルコンデンサーレンズシステムを用いて高品質なトムグラフデータ収集の達成

DOI:

10.3791/68965

February 6th, 2026

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Summary

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電子断層撮影は、クライオバイオロジーズ試料中の組織内の細胞小器官、細胞、高分子の原子レベルに近いイメージングを可能にします。このような解像度を達成するには、厳密に制御されたイメージング条件が必要です。ここでは、2段凝縮レンズシステムを用いる200 kV透過電子顕微鏡を例に、高品質な電子断層撮影データの収集方法を説明します。

Abstract

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クライオ電子断層撮影(cryo-ET)は、細胞小器官や大型タンパク質複合体の構造をその自然環境で明らかにする強力な技術として浮上しています。従来の室温電子顕微鏡とは異なり、クライオETは内部構造への放射線誘発および準備による損傷を最小限に抑えます。さらに、単一粒子分析(SPA)とは異なり、クライオETは繰り返しの精製の必要性を減らし、試料の最も正確な構造情報を保持します。高解像度イメージングを実現するために、クライオETはTEMの撮像条件にも厳しい要件を課します。クライオETのデータ取得効率の継続的な向上や多数のソフトウェアプラットフォームの登場にもかかわらず、多くのソリューションは独自でベンダー特有で特定の電子顕微鏡モデルと密接に結びついているため、実装コストが高くなっています。本研究では、200kV電子顕微鏡(Glacios 2 cryo-TEM)にデュアルコンデンサーレンズシステムを搭載したオープンソースソフトウェアSerialEMをインストールし、高品質なトモグラフィーデータ取得を可能にする包括的な校正を行いました。アポフェリチンをモデル標本として用い、クライオサンプルの準備から自動クライオETデータ収集、その後のトモグラム再構築およびサブトモグラム解析までの全ワークフローを説明します。この方法は、特に独自ソフトウェアを使わないグラシオ顕微鏡を使用する研究室にとって、コスト効率が高くアクセスしやすいクライオETデータ収集の解決策を提供します。

Introduction

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クライオ電子断層撮影(cryo-ET)は、高分子錯体や細胞小器官の固有構造を原位で研究するための強力な手法として登場しています。クライオETが単一粒子分析(SPA)に比べて大きな利点は、過剰な精製工程を回避できるため、対象生体分子の生物学的文脈内での本来の状態を保持できることです。現在、精製された小器官1,2,3,4、細胞膜シート、高分子複合体5、ウイルス6、細胞ラメラ7、組織切面8,9,10など幅広い標本をクリオETで調査可能です。サンプルの種類や実験目的の多様性を考慮すると、データ収集戦略は大きく異なり、試料と特定の器具構成の両方に慎重に調整する必要があります。

データ収集はクライオETのワークフローにおいて重要なステップであり、データの品質と取得効率の両方が、下流処理や実験全体の成功に直接影響します。進化する実験的要求に対応するため、いくつかのデータ収集プラットフォームが開発されています。最も広く使われているのは商用トモグラフィーやオープンソースソフトウェアのシリアルEM111213です。トモグラフィーは高度に統合されたユーザーフレンドリーなインターフェースを提供し、学習曲線も低く、柔軟性は低く、商用ライセンスが必要です。これに対し、SerialEMはグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)ベースとスクリプトベースのワークフローの両方をサポートする無料のオープンソースパッケージであり、より高い柔軟性と拡張性を提供します。

クライオラメラからのトモグラフィーデータ収集には独特の課題があります。高品質なラメラは製備が難しく、その機械的不安定性や電子照射に対する高い感度がデータ収集をさらに複雑にしています。これらの課題に対応するため、ファビアン・アイゼンシュタインはPACEtomoワークフロー14を開発しました。これはSerialEMの強化版で、ビームイメージシフトを導入してティルトシリーズごとに複数のトモグラムを取得し、フォーカスやトラッキング調整の頻度を低減します。この戦略は、各セクションから利用可能なデータの量を最大化しつつ、不要な電子曝露を最小限に抑えます。同様の機能は商用ソフトウェアのTomography5でも利用可能です。

これに対し、クライオ固定された小器官や膜シートからのデータ収集は一般的により単純であり、これらのサンプルは通常穴のあった炭素グリッド上で準備されるため、集束と追跡に十分な面積を提供します。このような場合、SerialEMの組み込みのクライオET取得ワークフロー(GUIから直接アクセス可能)は、初心者や小規模な研究室に特に適した、スクリプト不要の便利な選択肢を提供します。それでも、効率の観点からは可能な限りビーム画像シフトベースの手法を推奨します。

クライオ電子顕微鏡の高いコストを踏まえ、機器の利用効率を最大化するためのデータ収集戦略の最適化が不可欠です。2段凝縮レンズシステムを装備した200 kV TEMは、300 kVの装置よりも厚い試料に対してやや低い電子浸透率を提供しますが、適切に校正されればクライオETには十分に有効です。しかし、比較的狭い平行ビーム条件と倍率で固定されたスポットサイズであるため、システムが精密に最適化されていない限り、高分解能のクライオETには一般的に適していません。

当社の電子顕微鏡装置にはFalcon 4iダイレクト電子検出カメラが搭載されており、単一電子計数能力と高速連続イメージングにおいて大きな利点を提供します。この検出器の性能を最大限に活用するためには、TEMは最適化されたイメージング条件下で動作させる必要があります。2段凝縮システムを用いたTEMでは、平行光の照明条件の正確な校正が画像品質向上の重要な要素です(17,18)。現代の二段凝縮器システムでは、第二段凝縮レンズの焦点は上部対物レンズの前方焦点面と一致しなければならず、試料面と交差する光路が平行であることを保証します。正確に確立された平行光の状態は、収集された画像の局所的な位置でピントの欠如と倍率が一貫性を保つために不可欠です。

本研究では、アポフェリチンをモデルサンプルとして用いる高品質なクライオETワークフローの確立に焦点を当てました。200 kV透過電子顕微鏡システムは商用断層撮影ソフトウェアのライセンスが取得されていないため、代わりにオープンソースのSerialEMプラットフォームをインストールし、校正しました。顕微鏡の2段階コンデンサーレンズシステムの並列ビームパラメータを慎重に最適化することで、Pythonスクリプトや複雑な設定を必要とせずにSerialEMグラフィカルインターフェースを通じて自動トモグラフィーデータ収集を実現しました。このアプローチは、Glaciosのような200 kV機器での効率的なクライオETデータ取得のためのユーザーフレンドリーかつコスト効率の良いソリューションを提供します。

Protocol

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1. クライオサンプルの調製および充填

  1. Vitrobotを準備するには、起動して温度を10°Cに設定してください。 湿度を100%に設定してください。フィルターペーパーを交換してください。
  2. グローディスチャージシステムに300メッシュのR1.2/1.3の穴のカーボンフィルムクアンティフォイルCuグリッドを設置します。グロー放電条件を15 mAに設定し、真空圧0.39 mBar、負電荷で60秒間。グロー放電を行い、グリッド表面を親水化します。
  3. Vitrobotのパラメータは以下の通りに設定されます:ブロット時間:3秒、待ち時間:0秒、ブロット力:2、温度:8°C、湿度:90%。
  4. 液体エタンを液体窒素で包んだエタンカップに液体窒素で冷却して準備します。
  5. グロー放電グリッドに3μLのアポフェリチンサンプルを塗布します。直ちに液体エタンで試料をガラス化します
  6. エタンから液体窒素で予め冷却された貯蔵箱にサンプルを移します。クライオサンプルの準備は完了しました。
    注意:液体窒素およびエタンを扱う際は、以下の安全プロトコルを厳守する必要があります:作業中の凍傷を防ぐために、個人用保護具(例:低温手袋や安全ゴーグル)が必要です。エタン凝縮前に、急速な沸騰による飛び散りを防ぐために、受け取りカップに液体窒素が入っていないことを確認してください。使用後は、エタンガスシステムの主弁と圧力調整弁をしっかりと閉めて漏れを防ぎます。残留エタンおよび液体窒素は、試料準備後、準備室内の指定された換気装置で処分しなければなりません。

2. 電子顕微鏡における平行光条件の決定

  1. 平行ビームアライメントを行う前に、まずスコープの以下のパラメータを調整してください:段を優心高度に、対物レンズをピント、nPビーム傾きppX/ppY、コマフリーのピボットポイントX/Y、コマ、そしてスティグマ。
  2. 交差格子グリッドを用いて、試料が正心高度かつ適切な焦点がSA 73,000×(エネルギーフィルターなし)でナノプローブモードで正確であることを確認します。
  3. 回折モード(カメラ長:D750 mm)に切り替え、100μmの対物レンズ絞りを挿入します(図1A、1B)。
  4. 対物レンズ絞りの調整タブをクリックし、多機能XとYノブを使って対物レンズの開口部を中心からずらし、開口部の縁が金回折リングと重なり、中央のスポットを部分的に遮るようにします(図1C)。
  5. フォーカスノブを使って回折焦点を調整し、対物レンズの絞りの端をできるだけシャープにして対物レンズの後焦点面を視界に入らせます(図1D)。
  6. ビーム強度(C2強度)を調整し、金回折リングの幅が最小になるまで調整します。
  7. 対物レンズの絞りを中心に。回折カメラの長さを伸ばし、中央のスポットだけが見えるようにします(図1E)。
  8. Stigmatorパネルの回折タブをクリックし、多機能XとYノブを使って中央スポットの形状を調整し、クロスオーバーポイントの上下を循環させてビームを円形にします(図1F)。
  9. ビーム強度を調整して中心スポットが最小化されるまで調整します。これにより並行照明条件が確立されます。並列照明条件はスポットサイズによって異なるため、今後の実験で迅速な構成を容易にするために、一般的に使われる各スポットサイズに対応するC2設定を記録しておく。
    注:データ取得時に使用される特定のスポットサイズは、倍率とC2開口設定によって異なります。カメラに最適な線量率でイメージングを行う必要があります。

3. アポフェリチンサンプルの高品質な電子断層撮影データ収集

注:この節では、経験豊富なユーザーと新規研究者の両方に適した、高スループットトムグラフィックデータ取得のための標準化された手順を概説しています。

  1. グリッドをクリップし、準備済みのクライオサンプルを電子顕微鏡に装填するには、Oリングをアライメントツールに入れ、準備済みグリッドをOリングの中央に配置します。スプリングペンでCリングをOリングにクリップし、サンプルをその間に固定します。
  2. オートグリッドをカセットのスロットに垂直に挿入し、ワークステーションを通じてナノカップに転送し、電子顕微鏡に取り込みます。
  3. SerialEMを使ってグリッド全体の全体を撮影するには、SerialEMソフトウェアを起動してください。低用量モードを有効にしてください。サーチモードを115×倍率で定義してください。
    注:検索拡大は通常、広範囲の地図を取得するために使用されます。この倍率はマッピングプロセスを迅速化しつつ、画像のスタイッチングの正確さを確保するためにできるだけ低く設定されています。
  4. ナビゲーターのファイルを開きます。 Navigator>モンテージ&グリッド>フルモンタージュを設定してください。ダイアログボックスで 「検索モードを使用」を設定します。画像をbin4形式で保存してください。モンタージュコントロールの「 スタート 」をクリックしてください。
  5. 検索および表示フィールドのキャリブレーションを行うために、検索モードで非常に認識しやすいランドマーク(図2A)を見つけます。ナビゲーターで 「マーカーを追加 」をクリックします。マーカーの位置に移動しるために 「マーカーへ移動 」をクリックしてください。
  6. View(2600×)モードに切り替えて、同じランドマークを見つけてください。 ランドマークをクリックしてください。ナビゲーターに行き、 Shiftをマーカーに切り替え てフィールドを揃えます(図2B)。ダイアログボックスのプロンプトに従い、両方の倍率からのビームシフトが検索マップ上のすべてのマーカーに割り当てられ、シフト値は保存されます(図2C)。
    注意:ビュー拡大率は一般的に選択領域(SA)の最低倍率に設定されており、ビューと記録の両方が同じモードになるようにするため、倍率切り替え時のセンタリング作業が容易になります。
  7. ビューとフィールドの記録をキャリブレーションするために(図3)。ビューモードでは非常に認知度の高いランドマークを見つけましょう。レコード(120k×)モードに切り替えてください。記録モードでランドマークを中央に合わせるためにマウスを使います。
    注意:レコード倍率の設定は、推定ターゲット解像度(ターゲット解像度がピクセルサイズの2倍)とサンプルのサイズに依存します。
  8. ビューモードに戻って写真を撮ってください。右クリックで、対象オブジェクトをビュー拡大率下のクロスヘアにドラッグし、視野の中心を表す十字線に合わせます。
  9. DefocusセクションのShiftの 「Set 」をクリックしてフィールドを揃えます。
  10. ターゲットの正方形を選択し、中倍率マップ5.1をフルモンタージュでキャプチャするには、「 Add Polygon 」をクリックしてキャプチャするエリアの輪郭を描きます。エリアの輪郭を描いた後、「 追加を停止 」をクリックして選択を最終決定します。
  11. すべての目的の部位でステップ3.10を繰り返します。ナビゲーター内の各ポリゴンについては、「アイテムオプション」の「取得(A)」と「新規ファイル」を確認してください。
  12. アイテムの新しいファイルを確認した後に表示されるダイアログボックスで、以下を選択してください: モンタージュ画像;モンタージュをポリゴンに合わせる;次に新しいファイルを開くときにファイルを閉じてくださいOKをクリックします。
  13. 新しいダイアログボックスで、次の選択肢を選択してください: シフト画像の代わりにステージを移動;低用量モードで表示パラメータを使いましょう。画像を指定された場所に保存してください。
  14. 中倍率マップをキャプチャするには、ナビゲーターメニューで「アイテム取得」をクリックしてください。以下のオプションを確認してください:画像またはモンタージュの取得と保存;ナビゲーターの地図を作りましょう。
  15. プライマリーアクション関連セクションでは、画像のキャプチャを「ビューモード使用」をチェックしてください。「小学校の前後の課題」セクションで「 大まかな均心率」を確認してください。中倍率マップのキャプチャを開始するにはGOボタンをクリックしてください。
  16. 中倍率マップ上のポイントを選択するために。ナビゲーターのインターフェースで中倍率マップを開きます。「Add Point」をクリックし、マップ内のターゲットオブジェクトを左クリックします。
  17. これをすべてのポイントで繰り返します。すべてのポイントを選択した後、「 追加停止 」をクリックして選択を最終決定します。
  18. 絞り合わせについては、顕微鏡UIで直接アライメントを使い、nPビームの傾きppX/ppYやコマなしのピボットポイントX/Yを調整し、視野内のビームスポットの揺れを最小限に抑えます。
  19. SerialEMスクリプトライブラリ(https://serialemscripts.nexperion.net/script/47)のスクリプトを使ってチューンスコープを実行してください。
  20. 断層撮影データ収集を開始するには、ナビゲーターインターフェースでROIを特定し、 Tiltシリーズをチェックしてください。ダイアログボックスで「 Frames Images」を選択してください。データ保存場所を選択します。
  21. 設定ダイアログで、度の範囲を-50°から50°まで設定してください。ベース増分を2.5°に設定し、開始角度を0°に設定し、線量対称スキームを有効にします。
    注意:チルトごとの投与量、傾斜角度範囲、傾斜ステップの設定は、一般的に以下の原則に従います。総投与量は約100 e⁻/Ųに維持されます。傾斜範囲は、最も高い傾き角度でも試料がほぼ遮られず、十分な電子透過とイメージングを可能にするように選択されます。傾き範囲が比較的大きい場合(例:±60°を超えた場合)、傾きステップを3°に設定できます。傾斜範囲が小さい場合(例:約±50°)、傾きステップを2.5°または2°に下げて、総線量を約100 e⁻/Ųに保つことができます。これは特に200 kV顕微鏡で重要であり、放射線損傷が300 kV顕微鏡よりも顕著であるため、過剰な総線量を避けることが不可欠です。
  22. ビーム強度または露出制御のセクションでは、「 ビーム強度を保持」をチェックしてください。デフォーカスターゲットを-3μmに設定し、オートフォーカスの周波数を傾きごとに1回ずつ設定します。
  23. オートアライメントが画像サイズの60%以上ずれているなら 「停止 」を確認し、「トラックビフォー&アフター」を設定します。
  24. データ収集を開始するには、Navigatorで「 アイテム取得」をクリックします。プライマリアクションでは、 オートフォーカスでターゲットのデフォーカスサイクル、ドリフト待機、TSをチェックしてください。
  25. デフォーカス範囲は-3.5〜-4.5μmまで4段階で設定します。一般設定で、 エンドの閉鎖カラムバルブを有効にしてください。「プライマリー前後のタスク」セクションで、 項目への再調整 プライマリー前の「ファイン・ユーセンティシティ」を有効にしてください。

4. アポフェリチンのサブトモグラム平均化

  1. Warp19を使ってモーション補正とCTF推定を行います。AreTomo320を用いてトモグラフィーのティルトシリーズアライメントを行います。
  2. Warpを使ってトモグラフィー再構築とデコンボリューションを実行します。PyTom21を使ってテンプレートベースのパーティクルピックを行います。
  3. 初期の精錬はRELION 522を使用して行います。M23を用いて高解像度の精錬を行います。
  4. 8つの傾斜系列を処理し、その後5,939個の粒子を選定し、反復的に改良し、最終分解能2.8 Å(図4)を達成することで最終構造を決定します。

Results

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精密な平行ビームアライメントの後、SerialEMのグラフィカルインターフェース機能を用いてアポフェリチンの断層撮影データ収集を行いました。その後、Warp、AreTomo、PyTom、RELION、その他関連ソフトウェアを用いた処理により、2.8 Åの解像度で最終構造が完成しました。この解像度は、比較的高解像度でサブトモグラフィー平均法で現在達成可能な水準に達していることを十分に示しています。 図4に示すように、アラインメントおよび再構成された結果(図4A)は、アポフェリチンの全体的な構造と空間的分布を明確に示しています。8つのティルトシリーズから抽出されたサブトモグラフィー平均化が行われ、分解能2.8 Åの構造が得られました(図4B)。対応するフーリエシェル相関(FSC)曲線は 図4Cに示されています。

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図1:第2凝縮レンズシステムを用いて平行照明条件の決定。 (A) 開口部のない回折モードの回折パターン。(B) 100μm対物レンズ絞り挿入後の回折パターン。(C) 回折中心からの絞りをずらし、エッジのシャープネスをよりよく可視化します。(D) 焦点絞りのエッジと、対物レンズ電流およびC2レンズ電流を調整して回折リングを最適化すること。(E) スティグメーターパネルによる補正が必要な楕円形の中心回折スポット。(F) 円形で最小化された中心回折スポットは最適化された平行照明を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図2:検索(115×)からビュー(2600×)までの高倍率から低倍率のアラインメントプロセス。 (A) 穴の端にマーカー(赤い矢印)が配置された検索モード画像。(B)表示モード画像を表示し、マーカー(赤い矢印)を(A)と同じオブジェクト位置に配置します。ナビゲーターで「マーカーへのシフト」オプションをクリックします。(C) ポップアップウィンドウでは、両方の倍率によるビームシフトがサーチマップ上のすべてのマーカーに割り当てられ、シフト値は保存されます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図3:View(2600×)からRecord(120k×まで)までの高倍率から低倍率のアライメントプロセス。 (A) 記録モードでは、ターゲットオブジェクトは視野の中央に配置されます(赤い線の円でターゲットオブジェクトが強調表示されます)。(B) View モードで撮影された画像で、ターゲットオブジェクトが赤い十字線と一致しない(赤い破線の円がターゲットオブジェクトと赤い十字線をハイライト)。(C) ターゲットオブジェクトを赤い十字準の中央にドラッグし、右クリックして移動させた後、Shiftボタンの横にある Set ボタン(赤い破線のボックスがボタンをハイライト)を押して移動させます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図4:アポフェリチンの構造決定。 (A) 構造イメージング。最終サブトモグラフィー平均の局所分解能マップ。テクスチャは均一で、視野全体にわたって密に配置された繰り返しのナノスケールの特徴が見られます。(B) 空間的に分解された定量的マッピング。同じまたは関連するナノ構造領域の偽色円形マップ。色は青/緑から黄色/赤まで幅広く、以下の色のスケール(任意の単位で約2.5から3.5)に示された数値に対応しています。色の不均一分布は、試料全体における測定された特性(例えば高さ、厚さ、屈折率、機械的・光学的応答など)の空間的変動を示します。(C) グローバルスペクトルまたは機能特性評価。分解能推定に用いられるフーリエシェル相関(FSC)曲線。最終分解能2.8 ÅはFSC = 0.143の破線で示されます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

Discussion

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クライオサンプルの準備および電子断層撮影の手順は、特定の試料タイプに合わせて調整されなければなりません。ここで述べる実験戦略は、生物学的な高分子、タンパク質複合体、小型細胞小器官に適しています。これらの試料は直接電磁グリッドにガラス化することができ、比較的薄い厚さにより電子の効率的な透過と高コントラスト画像の取得が可能となります。理想的には、試料の厚さは200 nmを超えないことが望ましいです。

プランジ冷凍試料では、結晶性の氷形成を最小限に抑えるため、横方向10μm未満が一般的に好まれます。これにより、構造的な強度が損なわれる可能性があります。より大きなサンプルの場合、高圧凍結やグリセロールなどのクライオプロテクタントのバッファーへの添加によって氷の核生成を遅らせることができます。しかし、TEMの厚さ要件を満たすためには、さらなる薄化がしばしば必要となります。利用可能な薄化手法の中で、集束イオンビーム(FIB)ミリング24が最も広く採用されており、その精度と損傷の最小限により、高解像度のクライオETに適したラメラを生成します。

ラメラデータの収集では、ラメラの利用を最大化することが非常に重要です。ビーム画像シフト取得の実装により、繰り返しのフォーカスや追跡作業の必要性を減らし、データ収集のスループットを向上させます。ここで詳細は述べていませんが、この技術はPACEtomoの手法で広く説明されています。

現在、トモグラフィーデータ収集に人気のあるソフトウェアには、トモグラフィー(Thermo Fisher Scientific)やSerialEMがあります。トモグラフィーはカスタマイズの柔軟性が限られた商用ソリューションである一方、コロラド大学ボルダー校のデイビッド・マストロナードによって開発されたSerialEMはスクリプトベースの自動化をサポートするオープンソースソフトウェアです。しかし、SerialEMの機能を最大限に活用するにはかなりの学習曲線が必要です。本研究では、SerialEMのGUIを活用し、スクリプトやPythonベースの設定を不要にしつつ、無人での夜間データ取得を可能にする効率的なワークフローを提示します。

この方法を用いたトモグラフィーデータ取得でよく直面する課題の一つは、不正確な追跡であり、これにより傾斜系列が不完全で角度が欠けたり、その後のアライメントが複雑になったりします。これらの問題を軽減するために、試料のコントラストと傾斜段階の安定性に基づいてトラッキングパラメータを最適化する必要があります。効果的な戦略には、追跡位置での露光時間を調整して画像の鮮明さを確保、追跡位置と焦点合わせ位置を物理的に分離して累積放射線損傷を減らすこと、ステージの安定性が低い場合に追跡倍率を下げて信頼性の高いパターンマッチングを促進することが含まれます。これらの調整は、多様な実験条件下での堅牢な追跡性能を達成するために不可欠です。本研究では、アポフェリチンをモデル標本として用いています。並列光の試験と補正を前提に、SerialEMの内蔵機能を活用して高品質なクライオETデータを収集し、フェリチンサンプルのサブトモグラム計算を行い、最終的に2.8 Åの最終構造を得ました。

この方法は、200 kV電子顕微鏡の高分解能クライオETへの適用性を拡大するために開発されました。このような解像度を達成するには、高品質なイメージングデータの取得が根本的に依存しており、それには精密な照明条件が必要です。この目的のために、重要な準備段階として正確な並列照明アライメントを実施しました。ここで説明するアライメント手順は、Thermo Fisher Scientific Talos ArcticaやGlaciosのような2コンデンサーレンズシステムを装備したTEM向けに特別に設計されています。第3の凝縮レンズ(C3)を持つ機器とは異なり、これらのシステムは並列照明の条件をC2レンズの単一の特定の励起値に制限します。この本質的な制約により、電子ビームの極めて正確なアライメントが不可欠であり、光源像を上部対物レンズの前焦点面に位置させる必要があり、これは最適なイメージング性能の前提条件です。その後のデータ処理結果は、このアライメント後、この200 kV顕微鏡によるテストサンプルのデータ取得品質が、通常300 kVの機器に期待されるものとほぼ同等であることを示しています。

Disclosures

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著者たちは競合する利害関係を一切認めていない。

Acknowledgements

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

北京大学保健科学センターのクライオEM施設に機器を提供していただき感謝しています。本研究は中国国家重点研究開発計画(2023YFC2705902)、中国人民共和国国家自然科学基金(32470880、32500722、32500737)、北京自然科学基金(7262143)、北京大学第三病院重点臨床プロジェクト(BYSYZD2023033)、北京大学臨床医学プラスX-Young Scholarsプロジェクト(PKU2025PKULCXQ037)、および産婦人科国家臨床研究センター(北京大学第三)の支援を受けました病院(BYSYSZKF2023019)。

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ANTCryoTM niti gridナジンディンシン M04240922Aクライオサンプル調製に使用
アポフェリチンバイオルタスBP17854-00Aクライオサンプル調製に使用
クロスグレーティンググリッドアガー・サイエンティフィックAGS106平行光条件の決定に使用されます
グラシオス2サーモフィッシャー9959084トモデータ収集に使用
ナンバー2のフィルターペーパー、55mmワットマン10311807吸い取り用紙
ペルコ・イージーグローテッド・ペラ91000-01020グロー放電に使用
クアンティフォイルCuグリッドクアンティフォイルN1-C14nCu30-01クライオサンプル調製に使用
Vitrobot Mark IV サーモフィッシャー230101164クライオサンプル調製に使用

References

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  1. Zheng, W., Chai, P., Zhu, J., Zhang, K. High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes. Nature. 631 (8019), 232-239 (2024).
  2. Wang, C., et al. Structure and topography of the synaptic V-ATPase-synaptophysin complex. Nature. 631 (8022), 899-904 (2024).
  3. Mühleip, A., et al. ATP synthase hexamer assemblies shape cristae of Toxoplasma mitochondria. Nat Commun. 12 (1), 120(2021).
  4. Mühleip, A., et al. Structural basis of mitochondrial membrane bending by the I-II-III2-IV2 supercomplex. Nature. 615 (7954), 934-938 (2023).
  5. Huang, Y., Zhang, Y., Ni, T. Towards in situ high-resolution imaging of viruses and macromolecular complexes using cryo-electron tomography. J Str Biol. 215 (3), 108000(2023).
  6. Yao, H., et al. Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus. Cell. 183 (3), 730-738.e13 (2020).
  7. Schuller, A. P., et al. The cellular environment shapes the nuclear pore complex architecture. Nature. 598 (7882), 667-671 (2021).
  8. Cheng, A., et al. High-resolution single-particle cryo-electron microscopy using beam-image shift. J Struct Biol. 204 (2), 270-275 (2018).
  9. Xu, J., et al. In situ structural insights into the excitation-contraction coupling mechanism of skeletal muscle. Sci Adv. 10 (12), eadl1126(2024).
  10. Creekmore, B. C., Kixmoeller, K., Black, B. E., Lee, E. B., Chang, Y. W. Ultrastructure of human brain tissue vitrified from autopsy revealed by cryo-ET with cryo-plasma FIB milling. NatComm. 15 (1), 2660(2024).
  11. Mastronarde, D. N. SerialEM: Software for automated microscopy (Version 4.0). , University of Colorado Boulder. https://bio3d.colorado.edu/SerialEM/ (2020).
  12. Mastronarde, D. N. Automated electron microscope tomography using robust prediction of specimen movements. J Struct Biol. 152, 36-51 (2005).
  13. Mastronarde, D. N. SerialEM: A program for automated tilt series acquisition on Tecnai microscopes using prediction of specimen position. Microsc Microanal. 9 (S2), 1182CD(2003).
  14. Eisenstein, F., et al. Parallel cryo electron tomography on in situ lamellae. Nat Meth. 20 (1), 131-138 (2023).
  15. Wan, W., et al. Structure and assembly of the Ebola virus nucleocapsid. Nature. 551 (7680), 394-397 (2017).
  16. Li, S., et al. Acidic pH-Induced Conformations and LAMP1 Binding of the Lassa Virus Glycoprotein Spike. PLoS Pathog. 12 (2), e1005418(2016).
  17. Eyidi, D., Hebert, C., Schattschneider, P. Short note on parallel illumination in the TEM. Ultramicroscopy. 106, 1144-1149 (2006).
  18. Glaeser, R. M., Typke, D., Tiemeijer, P. C., Pulokas, J., Cheng, A. Precise beam-tilt alignment and collimation are required to minimize the phase error associated with coma in high-resolution cryo-EM. J Struct Biol. 174, 1-10 (2011).
  19. Tegunov, D., Cramer, P. Real-time cryo-electron microscopy data preprocessing with Warp. Nat Meth. 16 (11), 1146-1152 (2019).
  20. Zheng, S., et al. AreTomo: An integrated software package for automated marker-free, motion-corrected cryo-electron tomographic alignment and reconstruction. J Struct Biol X. 6, 100068(2022).
  21. Hrabe, T., et al. PyTom: a python-based toolbox for localization of macromolecules in cryo-electron tomograms and subtomogram analysis. J Struct Biol. 178 (2), 177-188 (2012).
  22. Burt, A., et al. An image processing pipeline for electron cryo-tomography in RELION-5. FEBS Open Bio. 14 (11), 1788-1804 (2024).
  23. Tegunov, D., Xue, L., Dienemann, C., Cramer, P., Mahamid, J. Multi-particle cryo-EM refinement with M visualizes ribosome-antibiotic complex at 3.5 Å in cells. Nat Meth. 18 (2), 186-193 (2021).
  24. Rigort, A., et al. Focused ion beam micromachining of eukaryotic cells for cryoelectron tomography. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (12), 4449-4454 (2012).

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