Fortschritte in der Kryo-EM-Material kann helfen, Krebs und biomedizinische Forschung

Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) wurde ein Spiel-wechsler in das Feld der medizinischen Forschung, aber das Substrat, verwendet werden, um einzufrieren und Proben unter einem Mikroskop, ist nicht wesentlich in Jahrzehnten. Jetzt, Dank einer Zusammenarbeit zwischen der Penn State Forscher und die angewandte Wissenschaft, Unternehmen Protochips, Inc., ist dies nicht mehr der Fall.

„Die traditionelle Art von raster hat sich nicht viel verändert seit der Gründung der cryo-EM, während der Materialwissenschaft hat sich gewaltig geändert“, sagte Deb-Kelly, professor für biomedizinische Technik an der Penn State und Direktor des Zentrums für Strukturelle Onkologie (AHB). „Unser team, zusammen mit anderen Kollegen im Feld, hatte die Idee, zu versuchen, neuen Werkstoffen als Mittel zur Verbesserung der nach der derzeitigen Praxis.“

Probleme mit herkömmlichen Kohlenstoff-Gitter mit Löcher gehören unebenen Oberflächen, wenn Eis bildet sich über das Gitter, das erfordert Anpassung imaging-Routinen oft; die grid-Materialien erweitert mit verschiedenen thermal-Preisen; und das Versagen der Proben zu finden, die Ihren Weg in das Netz Löcher, verschwenden, was Häufig beschränkt sich die Proben.

„Nur zu ursprünglichen Fokus Parameter speichert eine enorme Menge an Zeit während der Datenerfassung“, sagt Cameron Varano, research assistant professor in der CSO und die co-lead-Autor der neuen Papier nur online veröffentlicht in der Zeitschrift Klein. „Die Protochips Substrate aus Silizium-Nitrid, einem mehr starren material gefertigt ist als die Kohlenstoff-Netze, die macht Sie weniger geneigt, um lokale Deformationen. Und die Brunnen in den chips kann angepasst werden für die verschiedenen Eis-dicken und-Anwendungen.“

Mit der neuen Substrate, die sogenannten Cryo-Chips, die Forscher haben das Potenzial, um alle Ihre Daten zu den Proben in weniger als einer Stunde, im Gegensatz zu dem, was wäre derzeit die Tage.

„Dieser große technische Fortschritt ermöglicht es uns angehen schwieriger Fragen,“ Varano sagt. „Es macht Kryo-EM von einer Kunst zu einer Wissenschaft.“

In Ihrem Artikel „Cryo-EM-on-a-Chip: maßgeschneiderte Substrate für die 3D-Analyse von Makromolekülen,“ die Forscher wählten drei Fallstudien, für die diese Art der Bildgebung könnte nützlich sein. Die erste Studie war ein Vergleich der Kohlenstoff-Gitter mit Löcher und die Cryo-Chip mit rotavirus-Partikel, ein standard-Modell in cryo-EM-Studien wegen seiner Größe und symmetrische Form. Sie sahen, verstärkten Kontrast mit den Cryo-Chip-Substrat, sowie weitere Exemplar zum Verbleib in der custom-Brunnen.

Die zweite Studie, mit viel kleineren und asymmetrische BRCA1 protein-Baugruppen isoliert von Brustkrebs-Zellen, zeigten auch verbesserte Kontrast mit stärkeren Rand hinweg, so dass Sie viel bessere Kandidaten für automatisierte imaging-processing-Routinen.

„Für unser drittes Beispiel, haben wir beschlossen, zu schauen, etwas mehr unbekannt ist, und das ist abgeleitet von einer anderen Art von Krebs, P53, von Gehirn-Krebs-Zellen,“ Kelly sagt. „P53 ist die mutierte Molekül in fast alle Krebsarten im ganzen Körper. Noch niemand zusammengestellt hat, was seine volle 3D-Struktur aussieht, wie bei Krebs. Mit unserer neuen Mikrochip-Ansatz waren wir in der Lage, um zu sehen, bietet in dieser wichtigen p53-Assemblys geben, dass dieser Krebs ein Vorteil für das überleben.“

Kelly und Varano, die beide kürzlich nach der Penn State von der Virginia Tech, der Hoffnung, diese biomedizinisch wichtige Proben auf die nächste Ebene, die als Teil der mission für die neue AHB, Teil des Huck Instituten der Life Sciences.

„Mit dem neu gebauten Mikroskop an der University Park campus und in den Cryo-Chip-Werkzeuge in die hand, wir erwarten um den übergang unserer imaging-Arbeit von hoher Durchsatz, intelligente Durchsatz,“ Kelly sagt. „Was ist wirklich nett über unsere Zusammenarbeit mit Protochips ist, dass er betont, das Unternehmen/die Akademische Partnerschaft. Auf diese Weise können wir alle gemeinsam wachsen.“

Co-lead-Autor Nick Alden, war Kelly ‚ s graduate student an der Virginia Tech, und er wird sein Eintritt in das doctoral program in biomedical engineering an der Penn State in diesem Herbst. Andere Autoren zählen William Dearnaley und Maria Solares von der Penn State;Yanping Liang und Zhi Sheng, der Virginia Tech; Sarah McDonald an der Wake Forest University; und John Damiano, Jennifer McConnell und Madeline Herzöge von Protochips, Inc. William Luqiu, ein Abschluss senior an der Roanoke Valley Governor ‚ s School for Science and Technology, nahm auch der in der it-Aspekte der Forschung.

Die National Institutes of Health und der National Cancer Institute unterstützt diese Arbeit. Zusätzliche Unterstützung kam von der Universität von Virginia-Virginia Tech Carilion Seed Fund Award und dem Cartledge Gemeinnützige Stiftung.