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Na última década, avanços, principalmente na tecnologia de detectores, mas também em outras áreas técnicas, facilitaram uma sucessão de aumentos substanciais na resolução em que sistemas biologicamente relevantes podem ser imagens por microscopia eletrônica de transmissão (TEM)1,2. Apesar de o crio-EM já permitir a resolução de estruturas de alta resolução de apenas 50 μg de proteína através da análise de partículas únicas (SPA), a amostra crio-EM e a preparação da grade continuam sendo grandes gargalos3,4,5. As amostras de SPA consistem em macromoléculas distribuídas aproximadamente aleatoriamente dentro de uma camada de gelo vítreo. O gelo deve ser o mais fino possível para maximizar a diferença de contraste entre as partículas e o solvente. Macromoléculas biológicas são mais estáveis (ou seja, menos propensas a perder sua estrutura nativa) em gelo mais espesso, porque permanecem melhor solvated. Além disso, as partículas são frequentemente encontradas como muito melhor distribuídas sobre o campo de visão no gelo muito mais espessa do que o tamanho de partículas6 e frequentemente podem não ser encontradas dentro de buracos nos filmes de carbono em tudo.
Além disso, camadas mais espessas de gelo diminuem a probabilidade de moléculas estarem próximas da interface ar-água devido à alta relação superfície-volume, e estima-se que o uso de métodos padrão de congelamento de mergulho para estudos crio-EM resulta na adsorção de ~90% das partículas para a interface ar-água7. O gelo mais espesso resulta em fundo indesejávelmente alto devido ao aumento dos eventos de dispersão dentro do solvente e atenuação concomitante do sinal6,7. É, portanto, necessário alcançar uma camada de gelo vítreo possível; idealmente, a camada seria apenas um pouco mais espessa que a partícula. O desafio para o pesquisador, que deve ser superado para cada amostra diferente aplicada a uma grade, é preparar espécimes finos o suficiente para imagens de alto contraste, mantendo a integridade estrutural das partículas dentro de sua amostra. A adsorção de proteínas à interface ar-água é acompanhada por vários efeitos, geralmente deletérios.
Em primeiro lugar, a ligação de proteínas a esta interface hidrofóbica muitas vezes induz a desnaturação da proteína, que prossegue rapidamente e é tipicamente irreversível8,9. Um estudo realizado com a synthase de ácido graxo de levedura mostrou que até 90% das partículas adsorvidas são desnaturadas10. Em segundo lugar, evidências de um estudo comparando a distribuição de orientação de conjuntos de dados ribossomos 80S coletados tanto em carbono amorfo11 ou sem suporte12 mostraram que a interface ar-água pode causar orientação preferencial severa comprometendo a reconstrução 3D do volume13. Os métodos para reduzir a interação partícula com a interface ar-água incluem a suplementação do tampão de congelamento com surfactantes (como detergentes), o uso de filmes de suporte, captura de afinidade ou andaimes de substratos e tempos acelerados de mergulho. O uso de surfactantes está associado a seus próprios problemas, pois algumas amostras de proteínas podem se comportar não idealmente em sua presença, enquanto substratos de captura de afinidade e andaimes geralmente requerem superfícies de grade sob medida de engenharia e estratégias de captura. Finalmente, embora existam muitas pesquisas sobre o desenvolvimento de dispositivos de mergulho rápido14,15,16, estes requerem aparelhos que geralmente não estão amplamente disponíveis.
Embora a grade tem padrão para crio-EM biológico já apresenta uma folha de carbono amorfo perfurada17, há uma série de protocolos disponíveis para a geração de filmes de suporte adicionais e sua transferência para grades TEM. O uso desses filmes é um método há muito estabelecido para estabilização amostral18. Suportes amorfos de carbono são gerados por evaporação e deposição em folhas de mica cristalina19, das quais as camadas podem ser flutuadas em grades, com a utilidade de suportes de flutuação como ferramentas úteis estabelecidas em relatórios anteriores20. Os flocos de óxido de grafeno, tipicamente preparados usando uma versão modificada do método Hummers21, têm sido usados como uma estrutura de suporte preferível ao carbono amorfo para sua diminuição do sinal de fundo, bem como a capacidade de imobilizar e estabilizar macromoléculas22. Mais recentemente, houve um ressurgente interesse no uso do grafeno como filme de suporte TEM devido à sua estabilidade mecânica, alta condutividade, contribuição extremamente baixa para o ruído de fundo23, bem como o surgimento de métodos reprodutíveis para gerar áreas macroscopicamente grandes de grafeno monocamada24 e transferi-lo para grades TEM25 . Quando comparado ao carbono amorfo, que sofre movimentos induzidos por feixes semelhantes, ou pior, do que o gelo sem um filme de suporte11,12,17, o grafeno mostrou uma redução significativa no movimento induzido pelo feixe de imagens crio-EM12.
No entanto, enquanto o grafeno hidrofilizado protegia a synthase de ácidos graxos da desnaturação interfacial da água do ar, os autores deste estudo observaram que o grafeno foi contaminado durante a preparação da amostra, provavelmente devido a uma combinação de contaminação de hidrocarbonetos atmosféricos e do reagente usado para hidrofilizar as redes10. De fato, apesar de muitas das qualidades superiores do grafeno, seu uso generalizado ainda é dificultado pela derivatização necessária para diminuir sua hidroofobidade12, que em última análise é quimicamente difícil e requer equipamentos especializados. Este artigo relata protocolos para a preparação de suportes de amostras de carbono amorfo, grafeno e grafeno usando um bloco de flutuação de amostra impressa tridimensional (3D)27 para transferir diretamente filmes de suporte dos substratos nos quais foram gerados para grades TEM (Figura 1). Uma das principais vantagens do uso desse dispositivo é a transferência molhada de filmes, minimizando a contaminação hidrofóbica dos suportes e, consequentemente, a necessidade de tratamento adicional e reduzindo o número de etapas de manuseio manual potencialmente prejudiciais. Essas abordagens são baratas de implementar e, portanto, amplamente acessíveis e aplicáveis para estudos crio-EM onde os suportes amostrais são necessários.