Автоматизация скрининга криоэлектронной микроскопии в нескольких сетях с помощью Smart Leginon
1 декабря 2023 г.
Многосетчатый скрининг криоэлектронной микроскопии (криоЭМ) часто является утомительным процессом, требующим многочасового внимания. В этом протоколе показано, как настроить стандартную коллекцию Leginon и Smart Leginon Autoscreen для автоматизации этого процесса. Этот протокол может быть применен к большинству решеток из фольги с отверстиями в криоЭМ.
В Центре электронной микроскопии им. Саймонса мы стремимся предоставлять превосходные услуги электронной микроскопии, экспертные знания и обучение местным и национальным исследователям, а также разрабатывать инновационные методы для оптимизации рабочих процессов. Наша сфера деятельности охватывает сервис, разработку, машинное обучение и биомедицинские исследования. Мы пытаемся ответить на вопрос, как мы можем лучше оптимизировать наши услуги?
Машинное обучение меняет область электронной микроскопии. Сбор данных становится автоматизированным. Инструменты анализа данных стремительно становятся все более эффективными.
Это включает в себя шумоподавление, отбор частиц, анализ гибкости 3G и построение моделей. Мы регулярно обновляем программное обеспечение, чтобы учесть различные ситуации, такие как различные отверстия в сетке, наклонная коллекция или ошибки, выявленные в ходе бета-тестирования программного обеспечения в нашей производственной среде. Мы также интегрируем отзывы наших пользователей, поэтому мы постоянно предоставляем полезные для них функции.
Smart Leginon решает трудоемкие и трудоемкие задачи скрининга одной или нескольких сеток на криоTEM. Это позволяет операторам и исследователям быстрее проверять и анализировать сетки, высвобождая время для параллельной оптимизации состояния сетки и образца. Это также сокращает время и стоимость работы микроскопа.
Smart Leginon autoscreen предлагает полностью автоматический многосеточный скрининг, который занимает около 10 минут для настройки скрининга для 12 сеток. По сравнению с ручным скринингом, наш протокол экономит несколько часов в день. С момента появления Smart Leginon было разработано другое бесплатное и коммерческое программное обеспечение для аналогичной автоматизации.
Обзор
Этот протокол описывает автоматизацию многосетчатого скрининга криоэлектронной микроскопии (КрЭМ) с использованием Smart Leginon Autoscreen. За счет упрощения процесса настройки, исследователи могут значительно сократить время, затрачиваемое на скрининг сеток, что позволяет более эффективно анализировать и оптимизировать условия образцов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Криоэлектронная микроскопия
- Автоматизация в микроскопии
- Анализ изображений
Предисловие
- Многосеточный скрининг КрЭМ традиционно является трудоемким.
- Автоматизация может повысить эффективность и снизить затраты.
- Smart Leginon Autoscreen облегчает непрерывный скрининг.
- Машинное обучение улучшает сбор и анализ данных в электронной микроскопии.
Цель исследования
- Автоматизировать процесс многосетчатого скрининга КрЭМ.
- Снизить время и труд, затрачиваемые на анализ сеток.
- Оптимизировать рабочие процессы для исследователей в области электронной микроскопии.
Использованные методы
- Настройка интерфейса Leginon для автоматического скрининга.
- Конфигурация различных настроек целевого назначения и экспозиции.
- Использование приложения Ptolemy для обработки изображений.
- Интеграция обратной связи пользователей для непрерывного улучшения.
Основные результаты
- Smart Leginon Autoscreen снижает время скрининга на несколько часов ежедневно.
- Операторы могут эффективно проводить скрининг нескольких сеток.
- Автоматизация позволяет параллельную оптимизацию условий сетки и образца.
- Постоянные обновления программного обеспечения улучшают функциональность на основе потребностей пользователей.
Выводы
- Автоматизация в КрЭМ значительно улучшает эффективность рабочих процессов.
- Smart Leginon Autoscreen является ценным инструментом для исследователей.
- Будущие разработки, скорее всего, будут продолжать улучшать автоматизацию и анализ данных.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Automated cryo-electron microscopy (cryoEM) grid screening using Smart Leginon addresses a critical bottleneck in structural biology and biopharma discovery workflows. By reducing operator time and increasing throughput, this automation enhances the efficiency of early-stage structure-based drug discovery and target validation. The approach enables scalable, reproducible screening across multiple grids, supporting robust decision-making at key inflection points in the discovery pipeline.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Accelerates structural interrogation of macromolecular complexes for target validation.
- Enables rapid optimization of sample and grid conditions, reducing experimental ambiguity.
- Supports predictive confidence in structural hypotheses for portfolio triage.
Screening & Assay Development
- Prepares validated cryoEM grids for downstream high-resolution data collection workflows.
- Standardizes grid screening, improving reproducibility and quantitative assessment of sample quality.
- Facilitates scalable, unattended screening to enable reliable evaluation of multiple conditions.
Translational & Preclinical Research
- Provides structural insights that inform translational biomarker alignment when relevant.
- Ensures continuity from discovery-stage screening to preclinical structural validation.
- Reduces risk by enabling early identification of optimal sample conditions for further development.
Pipeline & Workflow Integration
Smart Leginon Autoscreen integrates into the discovery continuum from early sample optimization through lead identification and preclinical structural validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling rapid, reproducible grid screening.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs for comparing grid and sample conditions.
- Analytics: Provides high-content imaging and statistical outputs to inform selection of grids for high-resolution data collection.
- Translational Research: Maintains structural continuity for biomarker and mechanistic studies when supported by the workflow.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, reusable automation capability for multi-project screening needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in structural studies.
- Operational Value: Standardizes and scales grid screening, reducing operator time from hours to minutes.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by accelerating early-stage structural validation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of structurally validated targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cryoEM sample preparation and grid optimization.
- Depends on access to automated cryoEM instrumentation and compatible software infrastructure.
- Demands cross-team standardization of screening parameters and data management.
- May require adaptation for different grid types or sample classes as supported by the software.
- Practical limitations include microscope availability and initial setup for automation workflows.
