Hier beschrijven we de procedures die in ons laboratorium zijn ontwikkeld voor het bereiden van poeders van kleine molecuulkristallen voor microkristalelektronendiffractie (MicroED) -experimenten.
Method Article
Hier beschrijven we de procedures die in ons laboratorium zijn ontwikkeld voor het bereiden van poeders van kleine molecuulkristallen voor microkristalelektronendiffractie (MicroED) -experimenten.
Een gedetailleerd protocol voor het voorbereiden van kleine molecuulmonsters voor microkristalelektronendiffractie (MicroED) experimenten wordt beschreven. MicroED is ontwikkeld om structuren van eiwitten en kleine moleculen op te lossen met behulp van standaard elektronen cryo-microscopie (cryo-EM) apparatuur. Op deze manier zijn kleine moleculen, peptiden, oplosbare eiwitten en membraaneiwitten onlangs bepaald tot hoge resoluties. Protocollen worden hier gepresenteerd voor het voorbereiden van rasters van geneesmiddelen met kleine moleculen met behulp van het medicijn carbamazepine als voorbeeld. Protocollen voor het screenen en verzamelen van gegevens worden gepresenteerd. Aanvullende stappen in het totale proces, zoals data-integratie, structuurbepaling en verfijning, worden elders gepresenteerd. De tijd die nodig is om de rasters met kleine moleculen voor te bereiden, wordt geschat op minder dan 30 minuten.
Microcrystal electron diffraction (MicroED) is een elektron cryo-microscopie (cryo-EM) methode voor het bepalen van atomaire resolutie structuren van sub-micrometer grootte kristallen 1,2. Kristallen worden aangebracht op standaard transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) -roosters en bevroren door zich in vloeibaar ethaan of vloeibare stikstof te storten. Roosters worden vervolgens geladen in een TEM die werkt bij cryogene temperaturen. Kristallen bevinden zich op het rooster en worden gescreend op initiële diffractiekwaliteit. MicroED-gegevens met continue rotatie worden verzameld uit een subset van de gescreende kristallen, waarbij de gegevens met een snelle camera worden opgeslagen als een film3. Deze films worden omgezet naar een standaard kristallografisch formaat en bijna identiek verwerkt als een röntgenkristallografie-experiment4.
MicroED is oorspronkelijk ontwikkeld om eiwitmicrokristallen 1,2 te onderzoeken. Een knelpunt in eiwitkristallografie is het kweken van grote, goed geordende kristallen voor traditionele synchrotron röntgendiffractie-experimenten. Omdat elektronen interageren met materieordes van grootte die sterker zijn dan röntgenstralen, zijn de beperkingen van de kristalgrootte die nodig is om detecteerbare diffractie te produceren aanzienlijk kleiner5. Bovendien is de verhouding tussen elastische en inelastische verstrooiingsgebeurtenissen gunstiger voor elektronen, wat suggereert dat meer bruikbare gegevens kunnen worden verzameld met een kleinere totale blootstelling5. Constante ontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt om MicroED-gegevens te verzamelen van de meest uitdagende microkristallen 6,7,8,9.
Onlangs is aangetoond dat MicroED een krachtig hulpmiddel is voor het bepalen van de structuren van geneesmiddelen met kleine moleculen uit schijnbaar amorfe materialen10,11,12,13. Deze poeders kunnen rechtstreeks uit een fles gekocht reagens, een zuiveringskolom of zelfs uit het verpletteren van een pil tot een fijn poederkomen 10. Deze poeders lijken amorf met het oog, maar kunnen volledig zijn samengesteld uit nanokristallen of slechts sporenhoeveelheden nanokristallijne afzettingen bevatten in een grotere niet-kristallijne, amorfe fractie. Het aanbrengen van het materiaal op het raster is eenvoudig en de volgende stappen van kristalidentificatie, screening en gegevensverzameling kunnen in de nabije toekomst zelfs worden geautomatiseerd14. Terwijl anderen verschillende methoden kunnen gebruiken voor monstervoorbereiding en gegevensverzameling, zijn hier de protocollen die zijn ontwikkeld en gebruikt in het Gonen-laboratorium voor het voorbereiden van monsters van kleine moleculen voor MicroED en voor gegevensverzameling gedetailleerd.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Monsternemingen van kleine moleculen voorbereiden
2. TEM-roosters voorbereiden
OPMERKING: Sommige TEM's met autoloader-systemen vereisen dat de rasters worden geknipt en in een cassette worden geplaatst voordat ze in de TEM-kolom worden geladen. Clipping omvat het fysiek vastzetten van het 3 mm TEM-raster in een metalen ring die de autoloader kan manipuleren. Deze stap en de volgende stappen kunnen worden uitgevoerd met behulp van normale TEM-rasters of TEM-rasters die zijn geknipt. Voor deze experimenten is het vaak gemakkelijker om de rasters te manipuleren als ze van tevoren zijn geknipt.
3. Aanbrengen van het monster op roosters door een homogeen fijn poeder te creëren (methode 1)
4. Monster op roosters aanbrengen door de methode "schudden" toe te passen (methode 2)
5. Aanbrengen van het monster op roosters met behulp van de verdampingsmethode (methode 3)
6. Bevriezen en laden van roosters in de TEM
7. MicroED-gegevens verzamelen
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
MicroED is een cryoEM-methode die gebruik maakt van de sterke interacties tussen elektronen en materie, waardoor het onderzoek van verdwijnend kleine kristallen12,13 mogelijk is. Na deze stappen wordt verwacht dat het een diffractiefilm in kristallografisch formaat heeft die is verzameld uit microkristallen (film 1). Hier wordt de techniek gedemonstreerd met carbamazepine12. De resultaten tonen een microED-dataset met cont...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Monstervoorbereiding is meestal een iteratief proces, waarbij optimalisaties worden gemaakt na sessies van screening en gegevensverzameling. Voor monsters met kleine moleculen is het vaak verstandig om eerst te proberen het raster te bereiden zonder de roosters te ontladen, omdat veel geneesmiddelen de neiging hebben hydrofoobte zijn 10,11. Als de roosters te weinig nanokristallijne afzettingen hebben, is het een goed idee om het opnieuw te proberen nadat de roos...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Het Gonen-lab wordt ondersteund door fondsen van het Howard Hughes Medical Institute. Deze studie werd ondersteund door de National Institutes of Health P41GM136508.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0.1-1.5mL Eppendorf tubes | Fisher Scientific | 14-282-300 | Elke flacon of buis zal volstaan. |
| Autogrid clips | Thermo-Fisher | 1036173 | Klemmende roosters zijn niet vereist voor MicroED. Ze zijn wel vereist voor Thermo-Fisher TEMs uitgerust met een autoloader-systeem. |
| Autogrid C-rings | Thermo-Fisher | 1036171 | |
| Carbamazapine | Sigma | C4024-1G | Elke hoeveelheid is voldoende voor deze experimenten |
| CMOS based detector | Thermo-Fisher | CetaD 16M | We gebruikten een CetaD 16M, maar elke detector met rolling shutter-modus of voldoende snelle uitlezing is acceptabel. |
| Delphi software | Thermo-Fisher | N/A | Software op Thermo-Fisher TEM-systemen die handmatige rotatie van de monsterstadium mogelijk maakt |
| EPU-D software | Thermo-Fisher | N/A | Commerciële software voor het verwerven van MicroED-gegevens |
| Glass cover slides | Hampton | HR3-231 | |
| Glow discharger | Pelco | easiGlow | |
| High PrecisionTweezers | EMS | 78325-AC | Elke hoge precisie pincet zal volstaan |
| Liquid nitrogen vessel | Spear Lab | FD-800 | Een standaard schuim vat voor het hanteren van monsters onder vloeibaar stikstof - 800mL |
| SerialEM software | UC Boulder | N/A | Gratis software gedistribueerd door D. Mastronarde. Afdeling Moleculaire, Cellulaire en Ontwikkelingsbiologie |
| TEM grids | Quantifoil/EMS | Q310CMA | Multi-A 300 mesh roosters werden hier gebruikt, maar elke dunne koolstof roosters zullen werken. Voor deze kleine moleculen raden we aan te beginnen met continue koolstof. |
| transmission electron microscope (TEM) | Thermo-Fisher | Talos Arctica | |
| Whatman circular filter paper | Millipore-Sigma | WHA1001090 | 90mm of groter |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission