Voorbereiding en observatie van Thick biologische monsters door Scanning Transmission Electron Tomografie

Summary

This report describes a sample preparation protocol and specific imaging conditions for performing scanning transmission electron tomography of thick biological specimens.

Abstract

This report describes a protocol for preparing thick biological specimens for further observation using a scanning transmission electron microscope. It also describes an imaging method for studying the 3D structure of thick biological specimens by scanning transmission electron tomography. The sample preparation protocol is based on conventional methods in which the sample is fixed using chemical agents, treated with a heavy atom salt contrasting agent, dehydrated in a series of ethanol baths, and embedded in resin. The specific imaging conditions for observing thick samples by scanning transmission electron microscopy are then described. Sections of the sample are observed using a through-focus method involving the collection of several images at various focal planes. This enables the recovery of in-focus information at various heights throughout the sample. This particular collection pattern is performed at each tilt angle during tomography data collection. A single image is then generated, merging the in-focus information from all the different focal planes. A classic tilt-series dataset is then generated. The advantage of the method is that the tilt-series alignment and reconstruction can be performed using standard tools. The collection of through-focal images allows the reconstruction of a 3D volume that contains all of the structural details of the sample in focus.

Introduction

Sinds de vroege jaren 1970, tomografie benaderingen transmissie elektronenmicroscopie (TEM) zijn uitgebreid gebruikt voor structurele karakterisatie van biologische monsters ^{1, 2, 3.} De aantrekkingskracht van transmissie elektronentomografie is dat het kan worden gebruikt om een ​​breed scala aan biologische structuren bestuderen op nanometerschaal, de architectuur van cellen en de ultrastructuur van organellen om de structuur van macromoleculaire complexen en eiwitten. Niettemin kan transmissie elektronentomografie niet worden gebruikt voor zeer dikke samples (groter dan 0,5 micrometer) te bestuderen. Inderdaad, dikke specimens teveel verstrooide elektronen genereren lage signaal-ruisverhouding (SNR) beelden. Bovendien tomografie omvat het verzamelen van afbeeldingen van gekanteld specimens, de schijnbare dikte van het monster toeneemt met de hellingshoek. Hoewel inelastische verstrooiing kan worden gefilterdmet behulp van energie filters wordt de kritische hoeveelheid elektronen die nodig zijn voor hoge SNR beelden nauwelijks bereikt TEM. Vandaar dat dikke biologische monsters alleen onderzocht middels snijden ^4.

Sommige monsters kunnen niet worden gesneden: sommigen breken wanneer zij worden gesneden en anderen moeten worden bestudeerd in hun geheel om de complexiteit te begrijpen. Een alternatieve benadering is om TEM gebruiken scanmodus ^{5, 6, 7, 8.} In scanning transmissie elektronenmicroscopie (STEM), het optische pad van de elektronen is anders dan in conventionele TEM. Elektronen die door het monster zonder verstrooiing kunnen worden verzameld aan de optische as met een bright-field (BF) detector ^9, dat deze elastisch verstrooid kan worden verzameld op een bepaalde hoek van de optische as met een donker-veld (DF) detector.Het andere voordeel is dat de STEM gefocusseerde elektronenbundel afgetast aan het oppervlak van het monster, waardoor de pixel-voor-pixel verzameling afbeeldingen. Hoewel de elektronenbundel verbreedt doortocht door het monster ^10, dit inzamelingsregeling minder gevoelig voor inelastisch verstrooide elektronen dan conventionele TEM. Bovendien is er geen lens na specimen bèta, waardoor chromatische aberraties die kunnen optreden in TEM vermijden. De camera lengte kan worden aangepast zodat de BF detector detecteert hoofdzakelijk verstrooide elektronen. Met behulp van de DF detector dikke monsters te studeren wordt niet aangeraden omdat van meervoudige verstrooiing, die onjuiste beelden produceert. In plaats daarvan kan de detector worden gebruikt BF ^11. Terwijl STEM produceren hoge SNR beelden, heeft een relatief lage diepte van het veld vanwege de relatief grootlicht convergentie vergelijking met TEM, verminderen van de hoeveelheid diepgaande informatie van dik kan worden hersteldspecimens. Bij aberratie gecorrigeerde STEM microscopen, waarbij de convergentiehoek oplopen tot 30 mrad kan zijn, kan de scherptediepte van laag genoeg zijn zodat de informatie die in beeld afkomstig van een brandvlak van slechts enkele nanometers . Instellen van de elektronenbundel Parallelle verhoogt de diepte-van-veld van de elektronenbundel ten koste van de ¹² resolutie. Echter, deze opstelling is niet altijd mogelijk.

Wanneer het noodzakelijk is een convergerend elektronenbundel gebruiken, moet men technieken die de diepte-van-veld van de elektronenbundel te verbeteren wanneer het bestuderen dikke samples. Recente studies hebben de overname van meerdere afbeeldingen op verschillende focale vliegtuigen gemeld door het monster om het maximale bedrag van de in-focus informatie ^{13, 14} herstellen. De twee studies beschrijven verschillende manieren om de gegevens van de verschillende beeldvlakken behandelen. Hovden et al.gecombineerd in Fourierruimte de beelden die op verschillende beeldvlakken werden verzameld en het uiteindelijke reconstructie werd rechtstreeks uit de 3D inverse Fouriertransformatie ^13. Daarentegen Dahmen et al. ontwikkelde een convergente reconstructie motor te reconstrueren in de reële ruimte het 3D-volume van de verschillende focale vliegtuigen ^14. Ons laboratorium ontwikkelde ook een werkwijze voor het afbeelden van dikke biologische monsters. Onze strategie was anders dan de twee methoden hierboven beschreven in dat we de informatie die is in focus op de verschillende focale vliegtuigen samengevoegd en reconstrueerde de uiteindelijke 3D-volume in de reële ruimte met behulp van een parallelle bundel projector ^15. Ons doel was om een ​​methode die gemakkelijk kan worden uitgevoerd in elke elektronenmicroscopie laboratorium ontwikkelen. Daartoe hebben we geprobeerd om het brandpunt beelden in een korte tijd, vergelijkbaar met het tijdskader van conventionele tomografie experimenten verzamelen. Bovendien, onze voorgestelde werkwijze could worden aangepast voor gebruik met verschillende soorten alignment en reconstructie software.

In het kader van onze publicatie vanaf 2015 ^15, wilden we te visualiseren en te karakteriseren het herstel van de diepte-van-veld, dus we gebruik gemaakt van een grote convergentie semi-hoek van 25 mrad. Hier presenteren we een stap-voor-stap protocol voor het uitvoeren doorgaande focale beeldvorming bèta volgens de werkwijze ontwikkeld in ons laboratorium in 2015 ¹⁵ en presenteren we hoe de gegevens van 2015 verwerkt. Deze methode herstelt in-focus informatie uit verschillende focale vliegtuigen gedurende een dikke (750 nm) biologisch monster en maakt hoogwaardige 3D-reconstructies. Waar relevant, zijn de verschillen in deze methode ten opzichte van de gebruikt door andere groepen methoden gepresenteerd.

Protocol

Let op: Raadpleeg de veiligheidsinformatiebladen (VIB) van de verschillende reagentia voordat u ze gebruikt. Een aantal van de chemicaliën die worden gebruikt tijdens de voorbehandeling zijn giftig, kankerverwekkend, mutageen en / of giftig voor de voortplanting. Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (handschoenen, laboratoriumjas, full-length broek en dichte schoenen) en werken onder een zuurkast tijdens het hanteren van het monster. Snijden het monster met een ultramicrotoom omvat het gebruik van scherpe instrume…

Representative Results

In onze studie werden elektronen versneld tot 200 kV in het veldemissie pistool elektronenmicroscoop. Beelden werden opgevangen in STEM BF-modus met behulp van een 20-ps verblijftijd. Betreffende het ontwerp van de doorgaande focal tilt-serie, vonden we aandacht intervallen van 150 nm hebben bevredigende resultaten voor de ultrastructurele studie van een 750 nm dikke biologisch monster-hoewel de scherptediepte van de elektronenbundel slechts 3 nm-aangezien we gebruik gemaakt van een zeer…

Discussion

In dit artikel presenteren we een conventionele monstervoorbereiding protocol samen met een stap-voor-stap handleiding voor het uitvoeren van 3D-analyse op dik biologische monsters met behulp van STEM doorgaande focale tomografie. Hars inbedding van biologische monsters is gebruikt voor tientallen jaren ^26, en andere protocollen die zijn aangepast aan verschillende soorten monsters te vinden in de literatuur ^27. In tegenstelling beeldvorming dikke exemplaren in STEM met be…

Materials

Phosphate Buffered Saline	Sigma-Aldrich	P4417
Ethanol	Sigma-Aldrich	2860
Epoxy resin	EMS	14120
Paraformaldehyde	Sigma-Aldrich	P6148	Add paraformaldehyde powder to PBS heated at approximately 60 °C. Increase pH by adding 1 N NaOH until no PFA powder is visible.
Glutaraldehyde	Sigma-Aldrich	G5882
Osmium Tetroxyde	EMS	19150
Uranyl Acetate	Sigma-Aldrich	73943
Gelatin Capsule	EMS	70110
Triming and Histo knives	LFG Distribution	Diatome diamond knives
Electron Microscopy copper grid	LFG Distribution	G200-Cu
Grid Coating Pen	LFG Distribution	70624
Specimen Holder	JEOL	EM-21311 HTR
Electron Microscope	JEOL	JEM-2200FS