$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
За последнее десятилетие прорывы, главным образом в детекторной технологии, но также и в других технических областях, способствовали последовательному существенному увеличению разрешения, при котором биологически значимые системы могут быть визуализированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ)1,2. Несмотря на то, что крио-ЭМ уже позволяет разрешать структуры высокого разрешения всего от 50 мкг белка с помощью анализа одной частицы (SPA), крио-ЭМ образец и подготовка сетки остаются основными узкими местами3,4,5. Образцы SPA состоят из макромолекул, распределенных примерно случайным образом в слое стекловидного льда. Лед должен быть как можно более тонким, чтобы максимизировать разницу контрастов между частицами и растворителем. Биологические макромолекулы более стабильны (то есть с меньшей вероятностью теряют свою родную структуру) в более толстом льду, потому что они остаются лучше сольватированными. Более того, часто обнаруживается, что частицы гораздо лучше распределены по полю зрения во льду, намного толще, чем размер частиц6, и часто могут вообще не находиться в отверстиях в углеродных пленках.
Кроме того, более толстые слои льда уменьшают вероятность того, что молекулы будут близки к границе раздела воздух-вода из-за высокого отношения поверхности к объему, и было подсчитано, что использование стандартных методов погружения-замораживания для крио-ЭМ исследований приводит к адсорбции ~ 90% частиц к границе раздела воздух-вода7. Более толстый лед приводит к нежелательно высокому фону из-за увеличения событий рассеяния внутри растворителя и сопутствующего затухания сигнала6,7. Поэтому необходимо добиться как можно более тонкого слоя стекловидного льда; в идеале слой должен быть лишь немного толще частицы. Задача исследователя, которая должна быть преодолена для каждого отдельного образца, нанесенного на сетку, заключается в том, чтобы подготовить образцы, достаточно тонкие для высококонтрастной визуализации, сохраняя при этом структурную целостность частиц в их образце. Адсорбция белка к границе раздела воздух-вода сопровождается несколькими, обычно вредными, эффектами.
Во-первых, связывание белков с этим гидрофобным интерфейсом часто вызывает денатурацию белка, которая протекает быстро и, как правило, необратима8,9. Исследование, проведенное с использованием дрожжевой синтазы жирных кислот, показало, что до 90% адсорбированных частиц являются денатурированными10. Во-вторых, данные исследования, сравнивающего распределение ориентации наборов данных рибосом 80S, собранных либо на аморфном углероде11, либо без поддержки12, показали, что граница раздела воздух-вода может вызвать серьезную предпочтительную ориентацию, ставящую под угрозу 3D-реконструкцию объема13. Методы уменьшения взаимодействия частиц с интерфейсом воздух-вода включают дополнение морозильного буфера поверхностно-активными веществами (такими как моющие средства), использование опорных пленок, захват аффинности или строительные леса подложек и ускоренное время погружения. Использование поверхностно-активных веществ связано с собственными проблемами, поскольку некоторые образцы белка могут вести себя неидеально в их присутствии, в то время как субстраты для захвата сродства и строительных лесов обычно требуют инженерных индивидуальных поверхностей сетки и стратегий захвата. Наконец, хотя существует много исследований по разработке быстро погружающихся устройств14,15,16, они требуют оборудования, которое, как правило, не является широко доступным.
Хотя стандартная сетка ТЕА для биологических крио-ЭМ уже имеет перфорированную аморфную углеродную фольгу17, существует ряд протоколов для генерации дополнительных опорных пленок и их передачи в сети ТЕА. Использование этих пленок является давно устоявшимся методом стабилизации образцов18. Аморфные углеродные опоры образуются путем испарения и осаждения на кристаллических листах слюды19, из которых слои могут быть перенесены на сетки, при этом полезность флотационных опор является полезным инструментом, установленным в предыдущих отчетах20. Хлопья оксида графена, обычно приготовленные с использованием модифицированной версии метода Hummers21, использовались в качестве предпочтительной опорной структуры по сравнению с аморфным углеродом для их снижения фонового сигнала, а также способности иммобилизовать и стабилизировать макромолекулы22. В последнее время возрождается интерес к использованию графена в качестве опорной пленки ТЭМ из-за его механической стабильности, высокой проводимости, крайне низкого вклада в фоновый шум23, а также появления воспроизводимых методов генерации макроскопически больших площадей монослойного графена24 и переноса его в сетки ТЭМ25 . По сравнению с аморфным углеродом, который подвергается движениям, вызванным пучком, аналогично или хуже, чем лед, не имеющий опорной пленки11,12,17, графен показал значительное снижение индуцированного пучком движения крио-ЭМ изображений12.
Однако, в то время как гидрофилизированный графен защищал синтазу жирных кислот от межфазной денатурации воздух-вода, авторы этого исследования отметили, что графен загрязнился во время подготовки образца, вероятно, из-за сочетания загрязнения атмосферными углеводородами и реагента, используемого для гидрофилизации решеток10. Действительно, несмотря на многие превосходные качества графена, его широкому использованию по-прежнему препятствует дериватизация, необходимая для снижения его гидрофобности12, что в конечном итоге химически сложно и требует специального оборудования. В настоящем документе описываются протоколы получения аморфных опор для образцов углерода, оксида графена и графена с использованием трехмерного (3D) печатного блока флоатации образца27 для непосредственной передачи опорных пленок с подложек, на которых они были сгенерированы, в сетки ТЕА (рисунок 1). Ключевым преимуществом использования такого устройства является смачиваемая передача пленок, сводя к минимуму гидрофобное загрязнение опор и, следовательно, необходимость дальнейшей обработки, а также уменьшая количество потенциально опасных ручных этапов обработки. Эти подходы являются недорогими в реализации и, следовательно, широко доступны и применимы для крио-ЭМ-исследований, где необходима поддержка образцов.