生物学電子顕微鏡でのフリーズフラクチャー/フリーズエッチングの基本技術要素
Summary
基本的な技術および透過型電子顕微鏡による検査のための生体試料とナノ材料のフリーズフラクチャー処理の改良が記載されている。この技術は、生体膜の超微細構造の特徴と専門性を明らかにするため、材料科学、ナノテクノロジー製品の超微細構造レベル次元の空間データを取得するための好ましい方法である。
Abstract
自然の中での試料、典型的には、生物学的またはナノ材料、骨折し、凍結し、カーボン/プラチナ "キャスト"透過型電子顕微鏡による検査のために意図を生成するために複製されることにより、フリーズフラクチャー/凍結エッチングは、プロセスについて説明します。試験片を液体窒素で試料のその後の破砕と、氷晶形成を制限するために凍結保護剤の存在下で、多くの場合、超高速凍結速度が施され、高真空下で高温に冷却した。生じた破断面には鋳造、表面の三次元詳細を与える角度から炭素と白金の蒸発によって複製され、安定化される。この技術は、細胞膜とその専門分野の研究に特に啓発証明していると、関連する細胞機能に対する細胞の形の理解にかなり貢献してきました。本稿では、実行するための機器の要件や技術的なプロトコルを調査凍結骨折、関連した用語と、破断面の特性、フリーズフラクチャー画像の解釈のための従来の手順のバリエーション、および判定基準。この技術は、広く細胞生物学の多くの分野での超微細構造の調査のために使用され、分子、ナノテクノロジーのための新たなイメージング技術として有望であり、材料科学の研究されています。
Introduction
概念と生物学的標本の凍結破砕処理の実用化は、半世紀以上前スティア1によって導入された。初期の装置は、作業内蔵ユニット1内に異種のコンポーネントを流用。元の装置は遠隔操作、高真空の維持、および透過型電子顕微鏡による検査に適したレプリカを生成するために、炭素、金属の蒸発（ 図1および図ための重要な必要性に対応するために、市販の器具に変更し、精製した2）。
典型的な器具は、試料台及びミクロトームアーム調節性液体窒素スループットを有する（ 図1）と高真空チャンバから構成されている。室内には、試料ステージに90°の角度やプラティのための他に位置炭素の蒸発を安定化するための2つの電子銃、1を収容45°（ 図2） -調節可能な角度、通常は15°で、シャドーイングNUM /カーボン。ユニットへの電力は、温度調整及び電子銃制御を調節する真空ポンプおよび電子パネルを操作するために適用される。
本来のウイルスの改善されたイメージングを達成するために考え出され、凍結破壊は、細胞膜及びその特殊化2,3の検査および分析のための技術として、さらに多くの人気を得た。実際に、この手順では、細胞や組織内の構造/機能の関係を解明に不可欠であったと、これらの研究の多くは、細胞生物学および分子生物学4-9に古典的な貢献として立っている。フリーズフラクチャー法の開発のための主要な目標と原理は、従来の生物学、電子顕微鏡で使用される化学固定および処理に由来する電子顕微鏡の分解能で観測アーティファクトを制限することであった。ここでの目標は、化学物質を制限することです固定は、十分な速度で、頻繁に氷の結晶の形成やその他の冷凍アーティファクトを制限するために、凍結防止剤の存在下で試料を凍結すると。さらに最近では、この技術は、ナノ粒子とナノ材料の検査のための分子生物学者と材料科学の研究者からの関心の復活を発見した。
凍結破砕し、凍結エッチ画像が3次元キャラクタを示し、時には走査型電子顕微鏡写真を間違わある。しかし、フリーズフラクチャー製剤は、透過型電子顕微鏡によって検査され、高解像度の形態学的研究への主要な貢献は、細胞膜の構造/機能要素の独自の表現である。凍結破砕処理および/またはグリセロールなどの凍結保護剤を用いて氷の結晶化を制限するために十分な速度で、細胞および組織を凍結することによって開始される。標本を真空と担当者の下で破断しているLICAは破断面上に炭素と白金の蒸発によって生成される。オリジナルの標本は、標準のEM標本グリッド上に検索されるレプリカから消化される。フリーズフラクチャー画像の別の一般的な誤解は、それらが細胞表面を描写することである。フリーズフラクチャーの基本的な前提は、生体膜の破壊過程（ 図3）によって脂質二重層を通して分割されるということですが。生体膜のこのプロセスは、2つの破断面を、外に隣接する二分子膜のリーフレットの半分を明らかに細胞質、PF-面に隣接する膜の半分の編成を明らかにする一つを生じる環境、EF-顔。真の細胞表面は、フリーズフラクチャー画像に表さなく破壊手順に従って凍結エッチングの後に添加ステップが使用される場合にのみ表示されていない。効果的に表面detaiを明らかにするために以前に破断試験片をエッチングするためにlは、試験片を急速にかつunetchablecryoprotectantずに凍結されている必要があります。根本的な特徴を明らかに骨折した試料表面からの水のエッチングは、試料を保持するステージとの間の温度差を生成する試料ステージ上に冷却ミクロトームアームと、表面から昇華させる冷却水をミクロトームアームを位置決めすることによって達成される。水が凍結エッチング操作中、骨折片の表面から昇華した場合、実際の細胞表面、細胞外マトリックス、細胞骨格構造、および分子集合体の側面は、高解像度で明らかにすることができる。このように凍結破砕し、凍結エッチングは互換用語ではなく、むしろ特定の研究の必要性に応じて必要または望ましくないかもしれない後者は段階的なプロセスを反映している。
フリーズフラクチャー/凍結エッチ手順に従って、破断面が向けられevaporaに供されるレプリカへのサポートおよびイメージングのコントラストを提供するために、炭素と白金のコートを電性。白金/炭素イメージング蒸発は、単方向または回転式であってもよく、抵抗または電子銃のいずれかによって達成される。既知の角度からの単方向シャドウイングは、通常は30° – 45°、特定の形態学的計算を行うのに有用である。ディープエッチングが施された試験片は、一般的に陰に回転式であり、これらの検体の結果画像は、写真的に評価のために逆になっている。
フリーズフラクチャー/凍結エッチング技術の歴史だけでなく、現在の目標は、より従来型の透過型電子顕微鏡の手続きに関連している化学固定および処理試料アーティファクトを制限することである。しかしながら、この技術は、三次元ディテールを付与するため、生物学、材料科学における形態計測データの取得を容易にする能力において実質的な利点を提供し、そしてnanotechnology標本。骨折、凍結および凍結エッチ手順は複雑かつ多面的であり、その応用のいくつかの側面がカスタマイズされています。このプレゼンテーションでは、プロセスの主な機能の調査ビューを提供しており、読者は細部に対処し、特定の研究ニーズに合わせてプロセスをカスタマイズするために、包括的に公開されたプロトコル10、11と呼ばれている。
Protocol
Representative Results
Discussion
その導入および商業的入手次の年では、フリーズフラクチャー/エッチングの手順は、広く、生物学的膜構造の調査のために利用した。実際、膜の構造の専門分野のいくつかの最高の視点がフリーズフラクチャー/エッチ製剤において得られている。これらの研究は、膜の構造組織の理解に貢献しただけでなく、構造と機能がどのように関連しているかについての洞察を提供していないだけ。 <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This presentation was supported by a Clinical Innovator Award to JLC from the Flight Attendant Medical Research Institute and by the United States Environmental Protection Agency. Although the research described in this article has been funded wholly or in part by the United States Environmental Protection Agency through Cooperative Agreement CR83346301 with the Center for Environmental Medicine, Asthma, and Lung Biology at The University of North Carolina at Chapel Hill, it has not been subjected to the Agency’s required peer and policy review, and therefore does not necessarily reflect the views of the Agency and no official endorsement should be inferred. Mention of trade names or commercial products does not constitute endorsement or recommendation for use.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Balzers Freeze-fracture/freeze-etch plant | Balzers | BAF400T | |
| Standard buffers | various suppliers | ||
| standard aldehyde fixatives | various suppliers | ||
| sodium dichromate | various suppliers | ||
| sulfuric acid | various suppliers | ||
| Disposable supplies for Platinum/Carbon Evaporation | Technotrade International | ||
| Liquid nitrogen | various suppliers | ||
| Freon | various suppliers | ||
| Disposable supplies for electron microscopy | Electron Microscopy Sciences | ||
| Transmission electron microscope | Carl Zeiss Inc. |
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