Name: 低分子の微小結晶電子回折 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 学ぶ微小結晶電子回折（MicroED）による低分子の原子分解能構造決定法。ナノサイズ結晶から30分以内で3次元構造を決定し、医薬品や化合物の構造生物学研究に活用できます。

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ゴネンラボは、ハワードヒューズ医学研究所からの資金によってサポートされています。この研究は、国立衛生研究所P41GM136508によってサポートされました。

1. 低分子サンプルの調製
<ol><li>少量(0.01〜1 mg)の粉末、液体、または固体を小さなバイアルまたはチューブに移します。</li>
	<li>すでに粉末状のサンプルの場合は、サンプルが必要になるまでキャップを使用してチューブを密封します。方法1(ステップ3)または2(ステップ4)を試す前に、液体サンプルを粉末に乾燥させます。 注:液体に溶解したサンプルは、以下の方法3(5.X)を使用できます</li>
</ol>2. TEMグリッドの準備
注:オートローダーシステムを備えた一部のTEMでは、TEMカラムにロードする前に、グリッドをクリップしてカセットに配置する必要があります。クリッピングでは、3 mm TEM グリッドを、オートローダが操作できる金属リングに物理的に固定します。このステップと後続のステップは、通常のTEMグリッド、またはクリップされたTEMグリッドのいずれかを使用して実行できます。これらの実験では、グリッドが事前にクリップされている方が簡単なことがよくあります。
<ol><li>スライドガラスカバーの一方の端にプラスチックフィルムを巻き付けます。</li>
	<li>TEMグリッドをカバースライド上部のフィルムに置き、カーボン側を上に向けて配置します。ライトの下のグリッドの両側を特定します。銅側は輝いて金属的に見えますが、炭素側はくすんだ茶色に見えます(図1C、D)。クリップされたグリッドの場合、カーボン側はクリップリングの平らな面に面している必要があります。</li>
	<li>グリッド付きのスライドをグロー放電チャンバーに配置します。15pAの負の設定を使用して、カバーサイドを約30秒間グロー放電します。グリッドにサンプルを追加する前に、ろ紙で裏打ちされたガラスペトリ皿の内側のカバースライドにグリッドを保管します。</li>
</ol>3.均質な微粉末を作成してサンプルをグリッドに適用する(方法1)
<ol><li>ピンセットを使用して、覆われたペトリ皿からグロー放電TEMグリッドを取り外します。カーボン面を上に向けて、グリッドを円形のろ紙に置きます。</li>
	<li>小さなへらを使用して、非常に小さな粉末スクープ(約0.1 mg)を取り除き、ろ紙のTEMグリッドのすぐ隣にある小さな正方形のガラスカバーガラスの上に置きます。パウダーの上に別の小さな正方形のスライドガラススライドまたはカバーガラスを置きます。</li>
	<li>指で、2つのスライドガラスをそっとこすり合わせて微粉末を作ります。</li>
	<li>カバーガラスを傾けてろ紙のTEMグリッドのすぐ上に配置し、グロー放電TEMグリッドのわずか数cm上でカバーガラスをこすり合わせ続けます(図1)。</li>
	<li>粉末がグリッドに向かって落下しているかどうかを確認します。2つのガラスカバーガラスの1つを取り除いて、細かく粉砕された粉末のカバーを外します。フィルター紙を使用してカバーガラスから微粉末をTEMグリッドにそっと払い落とします(図1)。</li>
</ol>4.「シェイク」法を適用してグリッドにサンプルを適用する(方法2)
<ol><li>ピンセットを使用してグリッドをつかみ、粉末サンプルのバイアルまたはチューブにドロップします。プラスチックキャップを使用してバイアルを閉じ、振ったときに材料が逃げないようにします。</li>
	<li>バイアルを手に取り、粉末とグリッドの両方が約10〜30秒間動くようにバイアルを振る。</li>
	<li>バイアルの内容物を円形のろ紙に空にします。グリッドの端をつかみ、ろ紙のグリッドの端を軽くたたいて、グリッドから余分な材料を取り除きます。 注:バイアルの種類とサイズによっては、ピンセットを使用して内容物を空にせずにTEMグリッドを取り外すこともできます。</li>
</ol>5.蒸発法によるグリッドへのサンプルの適用(方法3)
<ol><li>カーボン面を上向き、銅面を下に向けて円形のろ紙の中央にグリッド(クリップされているかどうか)を配置します。</li>
	<li>10 μLの気密シリンジを使用して、溶解した化合物の小滴(約1〜3 μL)をグリッドのカーボン側に塗布します。</li>
	<li>グリッド付きのろ紙を真空乾燥チャンバーにそっと移動します。チャンバーを覆い、真空をオンにします。グリッドを真空下に置いて、最大1日間乾燥させます。</li>
	<li>真空をオフにし、チャンバーを5分間通気させます。チャンバーを通気することで、覆われていないときにグリッドが移動したり飛んだりするのを防ぐことができます。</li>
</ol>6. TEMへのグリッドの凍結とロード
<ol><li>ピンセットのセットを使用してTEMグリッドの端をつかみ、先端がグリッドの正方形に穴を開けないようにします。グリッドをろ紙から1〜2 cm上に持ち上げ、グリッドを下の紙に対して90°傾けます。グリッドをしっかりとピンセットしたままピンセットを軽くたたいて、緩い粉を取り除きます。</li>
	<li>ピンセットの先端をグリッドで液体窒素容器に直接手で移動して、グリッドを凍結します。この容器は、典型的には、TEMのためのグリッドローディングステーションであるが、液体窒素安全魔法瓶などの任意の安全な容器であり得るが、移送または貯蔵のために許容される。液体窒素は-196°Cである。</li>
	<li>グリッドとピンセットの沸騰が止まるまで待ってから、さらに操作してください。</li>
	<li>液体窒素下または窒素蒸気中で、カーボン支持フィルムの前にサンプルがビームに当たるように、カーボン側を向けたサンプルホルダーにグリッドを配置します。</li>
	<li>サンプルホルダーをTEMにロードし、グリッドが常に液体窒素温度に保たれるようにします。<ol><li>オートローダーシステムの場合は、クリップされたグリッドを液体窒素冷却容器のカセットに配置します。このカセットは、オートローダーロボットがオートローダーとカラムの間を往復するためにサンプルを安全に保ちながらカセットを受け入れることを可能にするよりも、往復コンテナに転送されます。</li>
		<li>サイドエントリーTEMセットアップの場合は、グリッドを市販のサイドエントリーTEMホルダーに固定します。これらのホルダーには、液体窒素で満たされたサンプル調製容器があり、サンプルを温めることなくグリッドをホルダーに移動できます。サイドエントリーホルダーはTEMに直接挿入され、サンプルは最後に固定されます。</li>
	</ol></li>
</ol>7. マイクロEDデータの収集
<ol><li>ナノ結晶の探索とスクリーニング<ol><li>TEMカラムバルブを開きます。ハンドパネルを使用して倍率を可能な限り低い倍率に調整します。ハンドパネルの強度ノブを調整して、蛍光スクリーンに丸い明るい領域が表示されるようにして、ビームを見つけます。</li>
		<li>適切なソフトウェア14、15、16を使用して、低倍率(50〜300倍)で全グリッドアトラスを取得します(図2)。高解像度のMicroEDデータを収集する前に、顕微鏡が低倍率と高倍率の両方のイメージングに対して適切に位置合わせされていることを確認してください。</li>
		<li>カーボンが壊れていないグリッドの正方形を特定し、フィルム上に黒または暗い材料/粒子が見えるようにします(図2)。ハンドパネルのジョイスティックを使用して物理的に、または収集されたアトラスを仮想的に使用してグリッド内をナビゲートし、壊れておらず、微結晶を含むグリッドの正方形を検索します。</li>
		<li>これらの各四角形の中心を、調査用のグリッド位置のリストに追加します。これらの場所は、ノートブック、顕微鏡ユーザーインターフェイス、または顕微鏡自動化ソフトウェアに追加できます。</li>
		<li>倍率を500〜1,300倍に増やし、保存されている各グリッド位置のユーセントリック高さを調整し、保存したZ値を7.1.4に記載されている位置に更新します。</li>
		<li>蛍光スクリーンまたは高速カメラで、グリッド上の小さな黒い斑点/粒子をこの高い倍率で検索します。良好なサンプルは、高倍率で鋭いエッジを持つことが多く、結晶秩序を示唆しています。</li>
		<li>位置したポテンシャル結晶を画面の中央に移動し、TEMが高倍率モードに入るように倍率を上げます。 注意: これは、さまざまな機器では高倍率、Zoom2、またはSAモードと呼ばれ、通常は3,000倍以上の倍率に対応します。</li>
		<li>選択した領域の絞りを挿入します。絞りを大きいサイズまたは小さいサイズに変更して、選択した領域が水晶振動子よりも大きくなるようにします(図3)。</li>
		<li>TEMハンドパネルの回折ボタンを押して回折モードに切り替え、蛍光スクリーンが挿入されていることを確認します。拡大ノブを使用して、エッジが少なくとも1 Åの解像度になるようにカメラの長さを調整します。 注意: 回折長のキャリブレーションは、MicroED実験を試みる前に、金ワッフル格子または既知の試料を使用してサービスエンジニアが実行する必要があります。</li>
		<li>中心スポットができるだけシャープで小さくなるように回折焦点を調整します。回折シフトノブを使用して、中央ビームを蛍光スクリーンの中央に移動します</li>
		<li>ビームストップを挿入し、ビームがその後ろにあることを確認します。蛍光スクリーンを持ち上げます。カメラで短時間(約1秒)の露出を取ります(図4)。</li>
		<li>対応する回折パターンを調べます。完全なデータセットを収集するのに適した候補は、列と行に規則的に配置された鋭いスポットを持ち、回折は2 Åを超える、できれば少なくとも1 Åまでの範囲になります(図4)。結晶座標をTEMユーザーインターフェイスに保存するか、書き留めて保存します。</li>
		<li>現在のグリッド正方形上の関心のあるすべての潜在的な結晶に対して回折スクリーニングを繰り返します。</li>
	</ol></li>
	<li>データ収集<ol><li>スクリーンされたクリスタルを高倍率(>1,000倍)で画面の中央に配置します。クリスタルのユーセントリック高さは、自動ルーチンまたは手作業を使用して調整します。</li>
		<li>7.1.8で決定した水晶のサイズと形状に最適な領域開口部を挿入します(図3)。画像がグリッドバーで遮られるまで、ステージを負方向と正方向に傾けます(図3)。データ収集のために、これらの角度に注意してください。</li>
		<li>データセットの角度ウェッジ全体にまたがるために必要なフレーム数を決定します。フレームごとに0.5〜1.0°のウェッジを使用するのが一般的で、カメラの感度に応じて1〜5秒ごとにフレームが読み取られます。たとえば、-30°から+30°に及ぶウェッジが1°s-1 の一定の速度で回転し、1秒ごとにフレームが読み出されると、合計60フレームが必要になります。</li>
		<li>-72°から+72°の最大総傾斜範囲を考慮して、ステージを1°s-1 の一定の速度で回転させ始め、ローリングシャッター読み出しモードを備えた最新のカメラで1秒ごとにデータの読み取りを開始します(動画1)。このプロセスは、手動で、またはTEM固有のソフトウェアを使用して実行できます。<ol><li>最大チルト速度の%と停止するタイミングを顕微鏡のユーザーインターフェースまたは専用ソフトウェアで指定して回転速度を設定します。この調査では、これは最高速度の%ごとに0.3°s-1 と測定されましたが、顕微鏡ごとに個別に検証する必要があります。 注:傾きおよびカメラデータ収集は、ここでは独立して設定されるが、ソフトウェアプログラム14 は、プロセスを簡素化するためにこれを調整することができる。</li>
			<li>ほとんどの場合、指定されたウェッジの両側で約1°をデッドタイムとして破棄し、ステージが目的の回転速度まで上昇または減速します。</li>
		</ol></li>
		<li>データをさまざまな形式で、個々のフレームまたは画像のスタックとして保存します(ムービー1)。</li>
		<li>これらの回折フレームを、MicroEDツールを使用して一般的な結晶学的形式に変換します-ここで入手できます(https://cryoem.ucla.edu)。SMVフォーマットで保存された回折画像は、文書化された結晶学ソフトウェア17,18を用いて容易に処理される。</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol><li>Shi, D., Nannenga, B. L., Iadanza, M. G., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+electron+crystallography+of+protein+microcrystals%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional electron crystallography of protein microcrystals.</a> eLife. 2, 01345(2013).</li>
<li>Nannenga, B. L., Shi, D., Leslie, A. G. W., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+structure+determination+by+continuous-rotation+data+collection+in+MicroED%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">High-resolution structure determination by continuous-rotation data collection in MicroED.</a> Nature Methods. 11 (9), 927-930 (2014).</li>
<li>Hattne, J., Martynowycz, M. W., Penczek, P. A., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MicroED+with+the+Falcon+III+direct+electron+detector%5BTitle%5D)+AND+%22IUCrJ%22%5BJournal%5D)">MicroED with the Falcon III direct electron detector.</a> IUCrJ. 6 (5), 921-926 (2019).</li>
<li>Hattne, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MicroED+data+collection+and+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Crystallographica+Section+A+Foundations+and+Advances%22%5BJournal%5D)">MicroED data collection and processing.</a> Acta Crystallographica Section A Foundations and Advances. 71 (4), 353-360 (2015).</li>
<li>Henderson, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+potential+and+limitations+of+neutrons%2C+electrons+and+X-rays+for+atomic+resolution+microscopy+of+unstained+biological+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Quarterly+Reviews+of+Biophysics%22%5BJournal%5D)">The potential and limitations of neutrons, electrons and X-rays for atomic resolution microscopy of unstained biological molecules.</a> Quarterly Reviews of Biophysics. 28 (2), 171-193 (1995).</li>
<li>Martynowycz, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MicroED+structure+of+the+human+adenosine+receptor+determined+from+a+single+nanocrystal+in+LCP%5BTitle%5D)+AND+%22BioRxiv%22%5BJournal%5D)">MicroED structure of the human adenosine receptor determined from a single nanocrystal in LCP.</a> BioRxiv. , 316109(2020).</li>
<li>Martynowycz, M. W., Zhao, W., Hattne, J., Jensen, G. J., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Collection+of+continuous+rotation+MicroED+data+from+ion+beam-milled+crystals+of+any+size%5BTitle%5D)+AND+%22Structure%22%5BJournal%5D)">Collection of continuous rotation MicroED data from ion beam-milled crystals of any size.</a> Structure. 27 (3), 545-548 (2019).</li>
<li>Martynowycz, M. W., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ligand+incorporation+into+protein+microcrystals+for+MicroED+by+on-grid+soaking%5BTitle%5D)+AND+%22Structure%22%5BJournal%5D)">Ligand incorporation into protein microcrystals for MicroED by on-grid soaking.</a> Structure. , (2020).</li>
<li>Martynowycz, M. W., Khan, F., Hattne, J., Abramson, J., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MicroED+structure+of+lipid-embedded+mammalian+mitochondrial+voltage-dependent+anion+channel%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">MicroED structure of lipid-embedded mammalian mitochondrial voltage-dependent anion channel.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (51), 32380-32385 (2020).</li>
<li>Jones, C. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+CryoEM+method+MicroED+as+a+powerful+tool+for+small+molecule+structure+determination%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Central+Science%22%5BJournal%5D)">The CryoEM method MicroED as a powerful tool for small molecule structure determination.</a> ACS Central Science. 4 (11), 1587-1592 (2018).</li>
<li>Dick, M., Sarai, N. S., Martynowycz, M. W., Gonen, T., Arnold, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailoring+tryptophan+synthase+TrpB+for+selective+quaternary+carbon+bond+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Tailoring tryptophan synthase TrpB for selective quaternary carbon bond formation.</a> Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19817-19822 (2019).</li>
<li>Gallagher-Jones, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-%C3%A5ngstr%C3%B6m+cryo-EM+structure+of+a+prion+protofibril+reveals+a+polar+clasp%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Structural+%26+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">Sub-ångström cryo-EM structure of a prion protofibril reveals a polar clasp.</a> Nature Structural & Molecular Biology. 25 (2), 131-134 (2018).</li>
<li>Ting, C. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+a+scaffold+peptide+in+the+biosynthesis+of+amino+acid-derived+natural+products%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Use of a scaffold peptide in the biosynthesis of amino acid-derived natural products.</a> Science. 365 (6450), 280-284 (2019).</li>
<li>de la Cruz, M. J., Martynowycz, M. W., Hattne, J., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MicroED+data+collection+with+SerialEM%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">MicroED data collection with SerialEM.</a> Ultramicroscopy. 201, 77-80 (2019).</li>
<li>Mastronarde, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+electron+microscope+tomography+using+robust+prediction+of+specimen+movements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Structural+Biology%22%5BJournal%5D)">Automated electron microscope tomography using robust prediction of specimen movements.</a> Journal of Structural Biology. 152 (1), 36-51 (2005).</li>
<li>Schorb, M., Haberbosch, I., Hagen, W. J. H., Schwab, Y., Mastronarde, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Software+tools+for+automated+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Software tools for automated transmission electron microscopy.</a> Nature Methods. 16 (6), 471-477 (2019).</li>
<li>Kabsch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((XDS%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Crystallographica+Section+D+Biological+Crystallography%22%5BJournal%5D)">XDS.</a> Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 66 (2), 125-132 (2010).</li>
<li>Winter, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((DIALS%3A+Implementation+and+evaluation+of+a+new+integration+package%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Crystallographica+Section+D%22%5BJournal%5D)">DIALS: Implementation and evaluation of a new integration package.</a> Acta Crystallographica Section D. 74 (2), 85-97 (2018).</li>
<li>de la Cruz, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic-resolution+structures+from+fragmented+protein+crystals+with+the+cryoEM+method+MicroED%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Atomic-resolution structures from fragmented protein crystals with the cryoEM method MicroED.</a> Nature Methods. 14 (4), 399-402 (2017).</li>
<li>Shi, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+collection+of+MicroED+data+for+macromolecular+crystallography%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Protocols%22%5BJournal%5D)">The collection of MicroED data for macromolecular crystallography.</a> Nature Protocols. 11 (5), 895-904 (2016).</li>
<li>Nannenga, B. L., Shi, D., Hattne, J., Reyes, F. E., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+of+catalase+determined+by+MicroED%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Structure of catalase determined by MicroED.</a> eLife. 3, 03600(2014).</li>
<li>Martynowycz, M. W., Zhao, W., Hattne, J., Jensen, G. J., Gonen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Qualitative+Analyses+of+Polishing+and+Precoating+FIB+Milled+Crystals+for+MicroED%5BTitle%5D)+AND+%22Structure%22%5BJournal%5D)">Qualitative Analyses of Polishing and Precoating FIB Milled Crystals for MicroED.</a> Structure. 27 (10), 1594-1600 (2019).</li>
</ol>

著者は開示するものは何もありません。

サンプル調製は通常反復的なプロセスであり、スクリーニングとデータ収集のセッションの後に最適化が行われます。低分子サンプルの場合、多くの医薬品は疎水性である傾向があるため、グリッドをグロー放電せずに最初にグリッド調製を試みることが賢明であることがよくあります10,11。グリッドのナノ結晶堆積物が少なすぎる場合は、最初にグリッドをグロー放電した後に再試行することをお勧めします。凍結乾燥粉末からの結晶が大きすぎて厚すぎて、良好なデータを収集できない場合があります。このような場合、より大きな結晶の端または薄い部分からデータを収集できる場合があります。これが難しい場合は、乳鉢や乳棒などの粗い表面を使用して、粉末をより細かい粘稠度に粉砕する必要があるかもしれません。
マイクロEDデータは、典型的には、マイクロプローブモード4、20で動作するTEMを用いて収集され...

微結晶電子回折(MicroED)は、サブマイクロメートルサイズの結晶から原子分解能構造を決定するためのクライオ電子顕微鏡(クライオEM)法です1,2。結晶は標準的な透過型電子顕微鏡(TEM)グリッドに適用され、液体エタンまたは液体窒素に突入することによって凍結されます。次に、グリッドは極低温で動作するTEMにロードされます。結晶はグリッド上に配置され、初期回折品質についてスクリーニングされます。連続回転マイクロEDデータは、スクリーニングされた結晶のサブセットから収集され、そこでデータは高速カメラを使用してムービー3として保存されます。これらの動画は、標準的な結晶学フォーマットに変換され、X線結晶学実験4とほぼ同じように処理されます。
MicroEDはもともとタンパク質の微結晶を調べるために開発されました1,2。タンパク質結晶構造解析のボトルネックは、従来のシンクロトロンX線回折実験のために大きく整然とした結晶を成長させることです。電子はX線よりも桁違いに強い物質と相互作用するため、検出可能な回折を生成するために必要な結晶サイズの限界はかなり小さくなります5。さらに、弾性散乱イベントと非弾性散乱イベントの比率は電子にとってより有利であり、より小さな全体的な曝露でより有用なデータを収集できることを示唆しています5。絶え間ない開発により、最も困難な微結晶からMicroEDデータを収集できるようになりました6、7、8、9。
最近、MicroEDは、明らかに非晶質材料から低分子医薬品の構造を決定するための強力なツールであることが示されている10、11、12、13。これらの粉末は、購入した試薬のボトル、精製カラムから直接、または錠剤を微粉末に粉砕することからでも得る10。これらの粉末は、目で見るとアモルファスに見えるが、完全にナノ結晶で構成されているか、または単により大きな非結晶性のアモルファス画分に微量のナノ結晶堆積物を含むことができる。グリッドへの材料の塗布は容易であり、結晶の同定、スクリーニング、およびデータ収集の後続のステップは、近い将来自動化される可能性さえあります14。他の人はサンプル調製とデータ収集に異なる方法を使用するかもしれませんが、ここでは、MicroED用の低分子のサンプルを調製し、データ収集するためにGonenラボで開発および使用されているプロトコルが詳しく説明されています。

<table><tbody><tr><td>0.1-1.5mL エッペンドルフチューブ</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>14-282-300</td><td>どんなバイアルやチューブでも大丈夫です。</td></tr><tr><td>オートグリッドクリップ</td><td>Thermo-Fisher</td><td>1036173</td><td>MicroEDにはクリップグリッドは必要ありません。オートローダーシステムを搭載したサーモフィッシャーTEMに必要です。</td></tr><tr><td>オートグリッド Cリング</td><td>サーモフィッシャー</td><td>1036171</td><td></td></tr><tr><td>カルバマザピン</td><td>Σ</td><td>C4024-1G</td><td>これらの実験には任意の量</td></tr>で十分です <tr><td>CMOSベースの検出器</td><td>サーモフィッシャー</td><td>CetaD 16M CetaD</td><td>16Mを使用しましたが、ローリングシャッターモードまたは十分に高速な読み出しを備えた検出器であれば何でも構いません。&nbsp;</td></tr><tr><td>Delphiソフトウェア</td><td>サーモフィッシャー</td><td>N/A</td><td>サンプルステージの手動回転を可能にするサーモフィッシャーTEMシステム上のソフトウェア</td></tr><tr><td>EPU-Dソフトウェア</td><td>サーモフィッシャー</td><td>N/A</td><td>MicroEDデータ取得用商用ソフトウェア</td></tr><tr><td>ガラスカバースライド</td><td>ハンプトン</td><td>HR3-231</td><td></td></tr><tr><td>グローディスチャージャー</td><td>ペルコ</td><td>イージグロー</td><td></td></tr><tr><td>高精度ピンセット</td><td>EMS</td><td>78325-AC</td><td>どんな高精度ピンセットでも</td></tr><tr><td>液体窒素容器</td><td>スピアラボ</td><td>FD-800</td><td>液体窒素下で試料を取り扱うための標準的な泡容器 - 800mL</td></tr><tr><td>シリアルEMソフトウェア</td><td>UCボルダー</td><td>N/A</td><td>D.マストロナードが配布するフリーソフト。分子・細胞・発生生物学部</td></tr><tr><td>TEMグリッド</td><td>Quantifoil/EMS</td><td>Q310CMA</td><td>Multi-A 300メッシュグリッドを使用しましたが、薄いカーボングリッドでも機能します。これらの小分子については、連続炭素から始めることをお勧めします。</td></tr><tr><td>透過型電子顕微鏡(TEM)</td><td>サーモフィッシャー</td><td>タロス アークティカ</td><td></td></tr><tr><td>ワットマン 円形濾紙</td><td>ミリポアシグマ</td><td>WHA1001090</td><td>90mm以上</td></tr></tbody></table>

低分子の微小結晶電子回折

Microcrystal Electron Diffraction of Small Molecules

微結晶電子回折(MicroED)実験用の低分子サンプルを調製するための詳細なプロトコルについて説明します。MicroEDは、標準的なクライオ電子顕微鏡(クライオEM)装置を用いてタンパク質や低分子の構造を解明するために開発されました。このようにして、低分子、ペプチド、可溶性タンパク質、および膜タンパク質が最近高解像度に決定されている。例として薬物カルバマゼピンを使用して低分子医薬品のグリッドを調製するためのプロトコルがここに提示される。データのスクリーニングと収集のためのプロトコルが提示されます。データ統合、構造決定、改良など、プロセス全体の追加ステップは、他の場所で紹介されています。低分子グリッドの調製に要する時間は30分未満と推定される。

MicroEDは、電子と物質の間の強い相互作用を利用するクライオ電子顕微鏡法であり、消えるほど小さな結晶の研究を可能にします12,13。これらの工程の後、微結晶から収集された結晶学的形式の回折ムービーを有することが期待される(Movie 1)。ここでは、カルバマゼピン12を用いてこの手法を実証する。結果は、TEMグリッド上で同定されたカルバマゼピン微結晶からの連続回転MicroEDデータセットを示しています(動画1)。優れたデータセットは、汚れたり分割されたりしない強力で明確なスポットを持ち、各フレームに1つの格子しかなく、ムービー19をステップスルーすることで簡単に追跡できます。これらのデータは、標準のX線結晶構造解析ソフトウェア4を使用して簡単にインデックス化、統合、およびスケーリングできます。割れた結晶から...

ここでは、微結晶電子回折(MicroED)実験用の低分子結晶粉末を調製するために私たちの研究室で開発された手順について説明します。

A detailed protocol for preparing small molecule samples for microcrystal electron diffraction (MicroED) experiments is described. MicroED has been ...

この手順では、低分子粉末から3次元構造まで数分で進む方法を示します。これは、化学コミュニティにとって変革的な手法です。多くの化合物は容易に大きな結晶に成長しません。MicroEDでは、ナノメートルサイズの結晶から原子分解能の構造を決定することができます。手順を実演するのは、UCLAの教授であるマイク・マルティノウィッツ博士です。はじめに、少量の粉末、液体、または固体を小さなバイアルまたはチューブに移します。すでに粉末状のサンプルの場合は、サンプルが必要になるまでキャップを使用してチューブを密封します。同様に、液体サンプルを粉末に乾燥させます。スライドガラスカバーの一方の端にプラスチックフィルムを巻き付けます。TEMグリッドをカバースライドの上のフィルムに置き、茶色のカーボン面を上に向けて配置します。次に、グリッド付きのスライドをグロー放電チャンバーに入れ、30ピコアンペアの負の設定を使用してカバースライドを約15秒間グロー放電します。サンプルをグリッドに追加する前に、ろ紙で裏打ちされたガラスペトリ皿内のカバースライドにグリッドを保管します。ピンセットを使用して、覆われたペトリ皿からグロー放電TEMグリッドを取り外し、カーボン側を上に向けて円形のろ紙の上に置きます。小さなへらを使用して、非常に小さな粉末のスクープを取り除き、ろ紙のTEMグリッドのすぐ隣にある小さな正方形のガラスカバースリップに置きます。パウダーの上に別の小さな正方形のスライドガラススライドまたはカバースリップを置きます。指で、2つのスライドガラスをそっとこすり合わせて微粉末を作りました。カバースリップを傾けてろ紙のTEMグリッドのすぐ上に配置し、グロー放電TEMグリッドのわずか数センチ上でカバースリップをこすり合わせ続けます。粉末がグリッドに向かって落下しているかどうかを確認します。2つのガラスカバースリップの1つを取り外して、細かく粉砕された粉末のカバーを外します。次に、ろ紙を使用して、カバースリップからTEMグリッド上に微粉末をそっと払い落とします。ピンセットのセットを使用してTEMグリッドの端をつかみ、チップがグリッドの正方形に穴を開けないようにします。グリッドをろ紙から1〜2センチ上に持ち上げ、グリッドを下の紙に対して90度の角度にします。グリッドをしっかりとピンセットしたままピンセットを軽くたたいて、緩い粉を取り除きます。ピンセットの先端をグリッドで液体窒素容器に直接手で動かしてグリッドを凍結し、グリッドとピンセットの沸騰が止まるまで待ちます。液体窒素下で、カーボン支持フィルムの前にサンプルがビームに当たるように、カーボン側を向けたサンプルホルダーにグリッドを配置します。サンプルホルダーをTEMにロードし、グリッドが常に液体窒素温度に保たれるようにします。オートローダーシステムの場合、クリップされたグリッドを液体窒素冷却容器内のカセットに入れると、オートローダーロボットは、オートローダーとカラムの間を行き来するためにサンプルを安全に保ちながらカセットを受け入れることができます。TEMカラムバルブを開き、ハンドパネルを使用して倍率を可能な限り低い倍率に調整します。ハンドパネルの強度ノブを調整して、蛍光スクリーンに丸い明るい領域が表示されるようにして、ビームを見つけます。高解像度のMicroEDデータを収集する前に、適切なソフトウェアを使用して低倍率ですべてのグリッドアトラスを取得し、顕微鏡が低倍率と高倍率の両方のイメージングに対して適切に位置合わせされていることを確認します。カーボンが壊れておらず、フィルム上に黒または暗い粒子が見えるグリッドの正方形を特定します。ハンドパネルのジョイスティックを使用して物理的にグリッド内を移動するか、収集されたアトラスを仮想的にナビゲートして、壊れておらず、微小結晶を含むグリッドの正方形を検索します。これらの各正方形の中心を調査用のグリッド位置のリストに追加し、顕微鏡のユーザーインターフェイスまたは顕微鏡自動化ソフトウェアのノートブックに追加できます。倍率を500〜1300倍に設定します。格納されている各グリッド位置の中心高さを調整し、保存した Z 値をメモした位置に更新します。蛍光灯またはフラットカメラで、グリッド上の小さな黒い斑点や粒子を検索します。良いサンプルは、多くの場合、高倍率で鋭いエッジを持ち、順番に結晶を示唆しています。位置したポテンシャル結晶を画面の中央に移動し、TEMが高倍率モードに入るように倍率を上げます。選択した領域の開口部を挿入し、絞りを大きいサイズまたは小さいサイズに変更して、選択した領域が水晶振動子よりも大きくなるようにします。蛍光スクリーンが挿入されていることを確認するTEMハンドパネルの屈折ボタンを押して、屈折モードに切り替えます。拡大ノブを使用してカメラの長さを調整し、エッジが少なくとも1オングストローム解像度になるようにします。中心スポットができるだけシャープで小さくなるように回折焦点を調整します。回折シフトノブを使用して、中央ビームを蛍光スクリーンの中央に移動します。ビームストップを挿入して、ビームがその後ろにあることを確認します。蛍光スクリーンを持ち上げて、カメラで短時間露光します。対応する回折パターンを調べて、パターンに列と行に規則的に配置された鋭いスポットがあることを確認します。結晶座標をTEMユーザーインターフェイスに保存するか、書き留めてから、現在のグリッド正方形上の関心のあるすべての潜在的な結晶に対して回折スクリーニングを繰り返します。遮蔽された水晶振動子を1000倍以上の倍率で中央に配置し、自動ルーチンまたは手作業を使用して水晶の中心高さを調整します。結晶のサイズと形状に最適な選択した領域開口部を挿入します。ステージを負方向と正方向に傾けて、画像がグリッドバーで遮られるようにします。また、ローリングシャッター読み出しモードを備えた最新のカメラで1秒ごとにデータを読み取ることにより、データ収集の目的でこれらの角度に注意してください。最大傾斜速度の割合と停止するタイミングを顕微鏡のユーザーインターフェースまたは専用ソフトウェアで指定して、回転速度を設定します。さまざまな形式でデータを保存すると、個々のフレームまたは画像のスタックとして記録されます。微小結晶から収集された結晶学的形式の屈折動画は、TEMグリッド上で同定されたカルバマゼピン微結晶からの連続回転MicroEDデータセットを示しています。データ収集、統合、および構造ソリューションの後、高解像度の構造が決定され、その明確さはデータの品質と完全性に依存します。サンプルをグリッドに適用することは、良好なデータを取得するために重要です。この方法に従って、標準的な結晶学ソフトウェアを使用してデータをさらに処理することができます。MicroEDが低分子の強力な方法であることを実証することで、非常に重要な分子の新しい構造を解決するために世界中で使用が開かれました。

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Biochemistry

生物化学

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