Organellerin üç boyutlu (3D) görselleştirilmesi, modern hücre biyolojisinde çok önemli bir görevdir. Salgı vezikülleri için onlarca nanometreden hücre çekirdeği için birçok mikrona kadar değişen ölçekler göz önüne alındığında, tüm uygulamalara uyacak tek bir mikroskopi tekniği bulmak zordur. Modern floresan mikroskopisi çözünürlük açısından aralığın çoğunu kapsayabilirken, yalnızca etiketli moleküller görünür. Hücresel tiyatro, elektron mikroskobunun alanı olmaya devam ediyor. Geleneksel kimyasal fiksasyon, plastik gömme ve ağır metallerle boyama yöntemleri güçlü bir şekilde invazivdir, bu nedenle sonuçlar numune hazırlamanın ayrıntılarına bağlı olabilir. Öte yandan Cryo-EM, sulu ortamı vitrifiye etme ihtiyacı ile sınırlıdır; Oluşan buz kristalleri, elektron aydınlatmasını kırar ve ilgilenilen organik malzemeden daha yüksek kontrastlı kontrast eserlere neden olur.
Son on yılda, hücresel çalışmalar için geliştirilen veya uyarlanan EM görüntüleme tekniklerinin çoğaldığı görülmüştür1. Yinelemeli odaklanmış iyon demeti (FIB) frezeleme ve taramalı elektron mikroskobu (yani FIB-SEM) kullanılarak seri yüzey görüntüleme ile birlikte yüksek basınçlı dondurma şu anda büyük numuneler için tercih edilen yöntemdir2. Kriyojenik yumuşak X-ışını tomografisi (cryo-SXT), sudaki yumuşak X-ışınlarının karakteristik absorpsiyon uzunluğu 3,4,5 ile sınırlı olan birkaç mikron boyutundaki numuneler için uygundur. Bu ölçek birçok bozulmamış hücre tipini içerir ve X-ışını absorpsiyon kontrastının nicel doğası, konsantrasyon ölçümü6 veya spektroskopi7'nin bir yönünü ekler. Subtomogram ortalaması ile kombine edildiğinde, faz kontrast iletim elektron mikroskobuna (TEM) dayanan kriyo-iletim elektron tomografisi (kriyo-ET), makromoleküller veya kompleksler için en yüksek çözünürlüğü sunar 8,9,10. Bununla birlikte, bozulmamış organellerin o kadar düzenli olması nadirdir ki, bütün olarak ortalamaları alınabilir. Dahası, geniş alan TEM'in geleneksel modu, numunedeki elastik olmayan saçılma (enerji kaybını içeren) ve manyetik objektif lens11,12'deki renk sapması kombinasyonu ile numune kalınlığı için birkaç yüz nanometre ile sınırlıdır. Büyük enerji yayılımı, ortaya çıkan odak dışı bulanıklığı gidermek için bir enerji filtresinin kullanılmasını belirler, ancak görüntü sinyali artan kalınlıkla katlanarak zayıflarken, hassas örnek hala radyasyon hasarına maruz kalır.
Alternatif görüntüleme modu olan tarama iletimi EM (STEM), enerji filtreleme ihtiyacını ortadan kaldırır ve şu anda TEM tomografisinden daha düşük bir çözünürlükte olmasına rağmen, görüntü oluşumu için elastik olmayan şekilde dağılmış elektronları korur (Şekil 1). Aslında, gerçek bir görüntü oluşmaz. Bunun yerine, bir tarama EM'sinde olduğu gibi, ölçümler noktadan noktaya yapılır ve görüntü bilgisayar tarafından monte edilir. Büyütme, lens akımlarını değiştirmeden yalnızca tarama adımlarının boyutuna göre belirlenir. Düzgün bir şekilde yapılandırıldığında, kriyo-STEM tomografisi (CSTET) için faydalı numune kalınlığı aralığı 1,5 veya hatta 2 μm'ye ulaşabilir, ancak yararlı sinyal yoğunluğunun aydınlatmanın önemli bir kısmı olarak kaldığı konfor bölgesi yaklaşık 600-900 nm11,13'tür. Bu, sitoplazmanın büyük bir bölümünü ve bazen hücre çekirdeğinin bir kenarını görmek için yeterlidir. Uygulamada, standart kriyojenik sıvıya daldırma yöntemiyle vitrifikasyonun, kalınlık üzerinde STEM görüntülemeden daha ciddi bir kısıtlama getirdiğini görüyoruz. Bu video makalenin amacı, CSTET'in araştırma laboratuvarlarında ve mikroskopi tesislerinde hücre ve organel görüntüleme için alet sandığına dahil edilmesini kolaylaştırmaktır.
İlk zorluk, CSTET'teki mikroskop operasyonlarının kriyo-TEM tomografisinde olduğu gibi yaşam bilimleri uygulamaları için henüz standartlaştırılmamış olmasıdır. STEM donanımı nadiren (eğer varsa) cryo-EM pazarına hedeflenmiştir. Bununla birlikte, bu en yeni nesil mikroskoplarla değişiyor ve mevcut birçok araç güçlendirilebilir. Bir teknik olarak STEM, kriyojenik ve düşük dozlu yöntemlere de ilgi duyan malzeme bilimlerinde kalkmış ve büyük ölçüde devralınmıştır14,15. Malzeme bilimi literatürü, karışıklığa katkıda bulunan BF-STEM, ADF-STEM, HAADF-STEM, 4D-STEM, DPC-STEM, vb. Kısaltmalarla doludur. Burada, Weizmann Bilim Enstitüsü'ndeki kolektif deneyimimizde, parlak alan (BF) STEM görüntüleme16'ya dayanan yararlı sonuçlar için en genel protokolü sağlayan önerilen bir başlangıç noktası sunuyoruz. Hiçbir şekilde olasılık yelpazesini tüketmez veya hatta keşfetmez, ancak daha fazla iyileştirme için bir temel oluşturacaktır. Kriyo-STEM'i vurgulamamıza rağmen, protokolün çoğu plastik gömülü bölümlerin oda sıcaklığında STEM tomografisi için eşit derecede önemlidir.
STEM'in özü, numuneyi odaklanmış bir elektron probu (Şekil 1), aydınlatma konisi ile taramak ve iletimdeki kırınım (saçılma) düzleminden gelen sinyalleri piksel piksel kaydetmek, 2D görüntüler üretmektir17,18. Çoğu hücresel materyal de dahil olmak üzere amorf örnekler, iletimde dağınık bir saçılma paterni üretecektir. En basit pratik STEM konfigürasyonu, merkezi diski (yani, bir numune olmadan iletilecek prob aydınlatmasını) kaydetmek için dairesel bir dedektör yerleştirmektir. Örnek, elektronları bu aydınlatma konisinden sinyalin azaldığı ölçüde uzağa saçar. Bu bir BF görüntüsü üretir - örnek parlak bir arka plan üzerinde karanlık görünür. Dairesel bir dedektör, aydınlatma konisinin dışındaki numuneden saçılımı tespit etmek için de (veya bunun yerine) kullanılabilir. Örnek çıkarıldığında sinyal yoktur. Bir örnek yerleştirildiğinde, nesneler karanlık alan (DF) görüntüsünde koyu bir arka plan üzerinde parlak görünür. STEM için isimlendirme (BF, dairesel karanlık alan [ADF], yüksek açılı dairesel karanlık alan [HAADF], vb.) esas olarak dedektörler için toplama açılarının aralıklarını ifade eder.
Aydınlatmanın yakınsama açısı, STEM'in hücresel tomografiye önemli bir adaptasyonunu temsil eder. En yüksek öncelik yüksek çözünürlük olduğunda, yakınsama açısı mümkün olduğunca büyük olmalıdır. (Bu, konfokal lazer tarama mikroskobuna benzer; çözünürlük, dalga boyunun sayısal açıklığa bölünmesiyle ölçeklenen prob çapı tarafından belirlenir. EM için yarım açı veya yarı yakınsama açısına atıfta bulunduğumuzu unutmayın.) Öte yandan, öncelik alan derinliği olduğunda, çözünürlükteki bir uzlaşma büyük bir avantaj sağlar, çünkü odaklanmış ışın, yarı açılı kareye bölünmüş dalga boyunun iki katına eşit bir mesafe için kabaca paralel kalır. İdeal olarak, tüm hücre hacmi odakta kalır19. Örneğin, 300 keV'de, elektron deBroglie dalga boyu 0.002 nm'dir, bu nedenle 1 mrad'lık bir yakınsama 2 nm'lik bir çözünürlük ve 4 mikronluk bir alan derinliği verir. Bu koşullar altında tomografi, veri toplama sürecinde odaklanmadan bile yapılabilmekle birlikte, edinimin başlangıcında sadece bir kez yapılabilir. Geleneksel tomografi özellikli bir STEM, 7 veya 8 mrad'lık bir yarı yakınsama açısına ulaşabilir; Bu nedenle, prensip olarak, 0.25 nm sırasına göre, ancak daha sonra sadece 62 nm'lik bir odak derinliği ile bir çözünürlüğe ulaşabiliriz. Bu açıkça hücresel görüntüleme için çok incedir. Üç kondansatörlü lensli daha gelişmiş mikroskoplar, yarı yakınsama açısının önemli bir aralıkta sürekli olarak ayarlanmasını sağlar. Daha geleneksel iki kondenser konfigürasyonu ile yakınsama, kondenser (C2) açıklığı tarafından ayrı ayrı sabitlenir.
Sağlam, plastiğe gömülü numuneler için, her eğimde bir odak serisi kaydedilebilir ve bunları yüksek çözünürlüklü20 için birleştirebilir, ancak kriyojenik numuneler için radyasyon bütçesi çok ciddi şekilde kısıtlanır. Son olarak, BF veya DF görüntülemenin avantajlarını tartırken, kalın numuneler için, numunedeki çoklu elastik saçılmanın etkileri göz önünde bulundurulmalıdır. BF sinyali çoklu saçılma ile daha az bozulur ve kalın örnekler için daha yüksek çözünürlük gösterir16,21.
Yararlı bir kural, toplama açılarını yakınsamadan birkaç kat daha büyük ayarlamak olmuştur. Örnek ne kadar kalın olursa, toplama diski o kadar büyük olmalıdır. Çok küçük bir disk düşük sinyal yoğunluğu sağlayacaktır; Çok büyük bir disk, yalnızca en yüksek açılı saçılma katkıda bulunacağından, zayıf görüntü kontrastına neden olur. Toplama açıları belirli bir numune için optimize edilmelidir. Kamera uzunluğunun (kırınım) bir fonksiyonu olarak dedektör açıları bağımsız olarak kalibre edilmelidir. Mikroskop yazılımı tarafından rahatça görüntülenebilirler. Uygulamada, toplama işleminin aydınlatma yarı açılarına, sırasıyla θ ila α oranında iki ila beş faktörlük bir faktör (Şekil 1), hücresel örneklerin CSTET'i için önerilen bir başlangıç noktasıdır.
Aşağıdaki protokol, mikroskop kontrolü için popüler SerialEM yazılımı22,23 kullanılarak yapılan STEM tomografi operasyonunu açıklamaktadır. SerialEM belirli bir üreticiye bağlı değildir ve TEM tomografisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tomografi hazırlama işlemlerinin çoğu doğrudan TEM'den gerçekleştirilebilir. SerialEM stratejisi, tarama sistemini bir kamera olarak modellemektir. Bu, TEM'den STEM'e basit geçişi mümkün kılar. Bununla birlikte, büyütme ve ciltleme gibi parametrelerin tamamen yapay olduğu akılda tutulmalıdır. Önemli parametreler mikron cinsinden görüş alanı, görüş alanındaki piksel sayısı ve pozlama süresidir. Piksel aralığı veya örnekleme, piksel sayısına bölünen doğrusal alandır, bekleme süresi ise pozlama süresine bölünen piksel sayısıdır.
STEM ve CSTET için minimum konfigürasyon mikroskopta üç özellik içerir: bir tarama jeneratörü, bir STEM dedektörü ve tomografi kontrol yazılımı. Protokol, FEI / Thermo Fisher Scientific'in (TFS) isimlendirilmesini ifade eder, ancak kavramlar geneldir. TFS'nin özel mülk yazılımı TEM24 için JoVE'de açıklanmıştır ve STEM işlemi çok benzerdir.
Mikroskobun servis ekibi veya deneyimli personel tarafından önceden hizalandığını ve bir dosya yüklenerek bir sütun hizalamasının çağrılabileceğini varsayıyoruz. Küçük ayarlamalara doğrudan hizalama denir ve FEG yazmaçları (TFS mikroskopları) olarak adlandırılan yerlerde saklanabilir. Doğrudan hizalamalar arasında dönme merkezi, pivot noktaları, kırınım hizalaması ve kondenser astigmatizmasının telafisi bulunur. Ayarlamalar yinelemeli olarak yapılmalıdır. TFS mikroskoplarının farklı nanoprob (nP) ve mikroprob (μP) modları uyguladığını unutmayın; Belirli bir kondenser açıklığı için, bunlar sırasıyla TEM'de paralel aydınlatma ve STEM'de az ya da çok yakınsak (sıkıca odaklanmış) elektron ışını ile nispeten dar veya geniş bir görüş alanı sağlar. Diğer üreticiler, yakınsama açılarının aralığını kapsayacak şekilde farklı şemalar kullanır.
Başlamadan önce, incelenen örneğe bağlı olarak, görüş alanı, L ve örnekleme (piksel genişliği), l seçilmelidir. Örneğin, l = 1 nm/piksel için, 4 μm2'lik bir görüş alanını kaplayacak 4.000 x 4.000 piksellik bir görüntü seçilmelidir. Çözünürlük, en iyi ihtimalle, uzamsal örneklemenin iki katı olacaktır, bu nedenle 2 nm ve prob çapı, d, bununla eşleşmelidir. Prob açısının kalibrasyonu bu protokolün kapsamı dışındadır, bu nedenle bir tablo veya ekran okumasının mevcut olduğunu varsayıyoruz. Prob çapı yaklaşık olarak elektron dalga boyunun yarı yakınsama açısına (radyan cinsinden) bölünmesiyle elde edilir: d = λ/θ. Dalga boyu, λ, 300 keV için 0.002 nm ve 200 keV elektron için 0.0025 nm'dir, bu nedenle 1 mrad'lık θ, sırasıyla 2 veya 2.5 nm'lik bir nokta çapı sağlayacaktır.
Protokol, artan karmaşıklığın ilerleyişinde sunulmaktadır. İlk görev, mikroskop üreticisinin yazılımına bağlı bir STEM görüntüsü ve ardından SerialEM kullandığımız bir eğim serisi üretmektir. Birçok okuyucu şüphesiz SerialEM'e aşina olacak, bu yüzden daha karmaşık görevler doğal olarak gelecek. Prosedürleri sıkı bir şekilde takip etmeye gerek yoktur. Otomasyonla ilgili gelişmeler doğrudan STEM için uygulanabileceği gibi TEM için de uygulanabilir. Deneyimli kullanıcılar muhtemelen floresan haritalarının korelasyon kaydından başlayarak ve toplu tomografi kurmaya devam ederek protokolü tersine çevirecektir. Daha fazla ayrıntı, otomasyon25'teki en son gelişmeler hakkında yakın tarihli bir JoVE makalesi de dahil olmak üzere SerialEM'in kendisi için kapsamlı belgelerde ve öğretici kütüphanelerde bulunabilir.