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。
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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。
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。
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EM11、12、13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。
1. クライオサンプルの調製および充填
2. 電子顕微鏡における平行光条件の決定
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。
4. アポフェリチンのサブトモグラム平均化
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。

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。

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。

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。

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。
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。
著者たちは競合する利害関係を一切認めていない。
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)。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 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 |
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