Cryogene-elektronenmicroscopie (cryo-EM) is een gamechanger geweest op het gebied van medisch onderzoek, maar de ondergrond gebruikt om monsters te bevriezen en onder een microscoop te bekijken, is in decennia niet veel vooruitgegaan. Nutsvoorzieningen, dankzij een samenwerking tussen onderzoekers van Penn State en het toegepaste wetenschappelijke bedrijf Protochips, Inc., dit is niet meer het geval.

"Het traditionele type raster is niet veel veranderd sinds het begin van cryo-EM, terwijl de materiaalwetenschap enorm is veranderd, " zei Deb Kelly, een professor in biomedische technologie aan Penn State en directeur van het Center for Structural Oncology (CSO). "Ons team, samen met andere collega's in het veld, had het idee om nieuwe materialen te proberen als een middel om de huidige praktijken te verbeteren."

Problemen met traditionele koolstofroosters met gaten zijn onder meer oneffen oppervlakken wanneer zich ijs over het rooster vormt, wat vaak het aanpassen van beeldroutines vereist; de roostermaterialen expanderen met verschillende thermische snelheden; en het falen van de monsters om hun weg te vinden in de roostergaten, het verspillen van vaak beperkte monsters.

"Alleen de eerste focusparameters hoeven in te stellen, bespaart enorm veel tijd tijdens het verzamelen van gegevens, " zegt Cameron Varano, onderzoeksassistent-professor in de CSO en de co-hoofdauteur van een nieuw artikel dat zojuist online in het tijdschrift is gepubliceerd Klein . "De Protochips-substraten zijn gemaakt van siliciumnitride, een stijver materiaal dan de koolstofroosters, waardoor ze minder geneigd zijn om lokale misvormingen te hebben. En de putjes in de chips kunnen worden aangepast voor verschillende ijsdiktes en toepassingen."

Met de nieuwe ondergronden genaamd Cryo-Chips, de onderzoekers hebben het potentieel om al hun gegevens over de monsters in slechts een uur te krijgen, in tegenstelling tot wat nu dagen zou duren.

"Deze grote technische vooruitgang stelt ons in staat om meer uitdagende vragen aan te pakken, "Zegt Varano. "Het verandert cryo-EM van een kunst in een wetenschap."

In hun krant "Cryo-EM-on-a-Chip:op maat ontworpen substraten voor de 3D-analyse van macromoleculen, "De onderzoekers kozen drie casestudies waarvoor dit type beeldvorming nuttig zou kunnen zijn. De eerste studie was een vergelijking van het koolstofraster met gaten en de Cryo-Chip met behulp van rotavirusdeeltjes, een standaardmodel in cryo-EM-onderzoeken vanwege zijn grote formaat en symmetrische vorm. Ze zagen een verbeterd contrast met het Cryo-Chip-substraat, evenals meer specimenretentie in de aangepaste putten.

De tweede studie, met behulp van veel kleinere en asymmetrische BRCA1-eiwitassemblages geïsoleerd uit borstkankercellen, toonde ook een verbeterd contrast met sterkere randgrenzen, waardoor ze veel betere kandidaten zijn voor geautomatiseerde beeldverwerkingsroutines.

"Voor ons derde voorbeeld we besloten om naar iets onbekenders te kijken, en dat is afgeleid van een ander type kanker, P53, van hersenkankercellen, " zegt Kelly. "P53 is de meest gemuteerde molecule in bijna alle vormen van kanker door het hele lichaam. Toch heeft niemand samengesteld hoe de volledige 3D-structuur eruitziet bij kanker. Met behulp van onze nieuwe microchip-aanpak, we konden kenmerken zien in deze belangrijke p53-assemblages die deze kanker een voordeel geven om te overleven."

Kelly en Varano, die beiden onlangs van Virginia Tech naar Penn State verhuisden, hopen deze biomedisch belangrijke monsters naar een hoger niveau te tillen als onderdeel van de missie voor de nieuwe CSO, onderdeel van de Huck Institutes of the Life Sciences.

"Met de nieuw gebouwde microscoop op de campus van University Park en de Cryo-Chip-tools in de hand, we verwachten dat we ons beeldvormingswerk zullen overzetten van hoge doorvoer naar intelligente doorvoer, ", zegt Kelly. "Het mooie van onze samenwerking met Protochips is dat het de nadruk legt op de samenwerking tussen bedrijf en wetenschap. Op die manier, we kunnen allemaal samen groeien."

Mede-hoofdauteur Nick Alden, was Kelly's afgestudeerde student aan Virginia Tech, en hij zal dit najaar deelnemen aan het doctoraatsprogramma in biomedische technologie aan Penn State. Andere auteurs zijn onder meer William Dearnaley en Maria Solares van Penn State; Yanping Liang en Zhi Sheng, van Virginia Tech; Sarah McDonald van Wake Forest University; en John Damiano, Jennifer McConnell en Madeline Dukes van Protochips, Inc. William Luqiu, een afstuderen senior aan de Roanoke Valley Governor's School for Science and Technology, nam ook deel aan de computeraspecten van het onderzoek.