在低温电子断层扫描理解宇宙内在的

我们所做的一切从手指移动到思考和记忆形成,触发信号级联的大脑和身体。神经递质(nt)释放神经元之间的突触的神经终端信息从一个神经元传递到下一个——进入突触间隙,20 - 30 nm神经元之间的空间,到邻近的细胞叫做postsynapse开始(图2)。
如果涉及到运动,最终信号从大脑将达到指定的引导其合同可能导致肌细胞,例如,一个手指的运动。信息的一个新职位的手指将立即发送回大脑受体神经元,以检查是否实现预期结果或如果任何需要修正。
如果我们想要理解如何影响大脑和神经系统疾病,伤害,或精神健康状况,必须研究其精细结构和功能。高分辨率显微技术扮演着重要的角色在这个追求;他们是重要的观察细节需要开发治疗。

在过去,大脑细胞研究涉及脱水和固定染色后的化学物质,保护神经元的大结构的快照在一个特定的状态。然而,这意味着细节丢失,如小蛋白细丝突触细胞之间提供通信。这些结构,称为束缚和连接器,连接一个泡到另一个。调查这样的小蛋白质是很重要的,因为他们往往在神经退行性疾病的影响。

低温电子断层扫描(cryo-ET)允许我们详细研究独特的物品,例如神经元和连接器不需要化学染色和脱水。
低温电子显微镜和cryo-ET工作怎么样?

Cryo-ET是低温电子显微镜的一个分支(低温电子显微镜)。研究方法的名称表明,样品在非常低的温度下,通常在-196°C。在这个温度的水,使90%以上的内容在所有生物体,可以存在于非晶态非晶的形式,还发现在深太空的彗星。
在低温电子显微镜样品制备,样品中的水变成了无定形冰(称为玻璃化)样本的快速下跌到液态乙烷,由液态氮冷却到-172°C。生物样品玻化如此之快,冰晶的形成是预防,和结构完整性保存如果他们仍在自然环境。样品是保存在一个frozen-hydrated状态,因为没有干燥发生在样品制备和研究,对玻璃冰可以保存在电子显微镜真空温度低于-156°C。
在cryo-ET,独特的三维(3 d)模型样本可以通过组合多个构建预测样本在不同角度拍摄的。电子可以通过示例相同的方式旅行x射线在医学断层,但由于电子是带电的,电磁透镜可以用来创建一个详细的放大的一个非常小的物体的图像,让我们探索宇宙的亚细胞分子结构在[1](审查)。
此外,通过对细胞各种治疗与化学和物理刺激,然后采取快照后,一个可以研究微小变化。这允许了解细胞的功能,使建立一个动态的四维(4 d)模型的细胞过程。
Cryo-ET生产纳米级信息形式的高分辨率的3 d视图(~ 1 - 4海里)样品,通常生物大分子和细胞。技术是适合学习厚细胞标本的原生细胞环境,但最优样本厚度低于300海里。
解锁厚样品的细节,稀疏的聚焦离子束铣在双光束扫描电子显微镜(SEM)已被发明(cryo-FIB SEM)。薄片的细胞可以用于构建3 d模型使用cryo-ET [1]。应用这种技术的科学家们在英国的电子能中心(eBIC)钻石光源揭示了betway88体育官网生命周期的SARS-CoV-2全球Covid-19爆发大流行(图1)[2]。

学习低温电子显微镜和cryo-ET神经科学的技术

我的兴趣在高分辨率显微镜发达科学在研究大脑对我的主人(MSc)马克斯普朗克研究所的心理学在慕尼黑,德国。我想要更彻底地了解大脑的结构我调查显微镜可以实现更高的分辨率和发现了令人兴奋的新技术,如低温电子显微镜,高分辨率成像技术于2017年获得诺贝尔奖。
早在2012年,我搬迁的解剖学研究所伯尔尼,瑞士,我的博士和短担任博士后研究员。博士是研究突触囊泡胞外分泌突触体(掐掉神经末梢)cryo-ET——另一种技术仍处于起步阶段。
我非常喜欢手机断层扫描,因为里面有很多有趣的事情能吸引眼球的一个细胞,让你想知道。这让我想要调查细胞内的所有进程,但不幸的是时间是有限的!
学习神奇的cryo-ET技术、开发和改进方法实现毫秒分辨率和安文贝里曼和雾化器作为最初使用[3],并为最小分析x线断层照片改变突触囊泡和反对活跃区质膜非常有趣。我也有机会扩大我的知识在蛋白质生物化学、细胞培养及相关低温电子显微镜的样品制备加工、以及学习cryo-FIB。最终,我的目的是解决持续cryo-light和电子显微镜研究的细胞过程。
深入了解神经科学,我获得的早期职业生涯博士后研究从瑞士国家科学基金会的资助加入实验室在哥本哈根,丹麦,2017年。我最初了解电生理学和嗜铬细胞准备然后转移到主要星形胶质细胞和神经元细胞培养。
理解神经递质释放(突触囊泡(SV)胞外分泌或信号转导)在健康的神经元——涉及蛋白质和发布期间会发生什么——前必要的基础研究疾病如何影响大脑的功能。
突触的突触囊泡含有,充满了信号分子。研究观察突触囊泡胞外分泌的功能方面来理解哪些蛋白参与其中,当某些蛋白质通过基因缺失淘汰出局。

试图增加神经元在EM网格提出了一个挑战

最终我成功地建立一个方法增加神经元EM网格,也使得许多薄功能性突触也拥有postsynapses(图2)。正确的保健和环境日益增长的初级神经元在网格可以简单但功能突触(突触,间隙和postsynapse)的网格也得足够薄cryo-ET并不容易。

研究大脑,Sars-CoV-2疫苗研究和支持eBIC显微镜用户

2019年,我开始工作作为一个高级支持科学家在eBIC电子显微镜。我以前的经验——尤其是cryo-ET准备我这个角色。
大约70%的时间都集中在支持英国和全球用户寄样品。我帮助他们解决实验设置等数据采集策略,样品制备,建议改进。我们也在其他项目以及我们自己的工作。
例如,Covid-19大流行开始后的我们奉献所有的资源来帮助调查Covid-19病毒打败疾病。我们调查了病毒峰值蛋白质和细胞样本看看什么工作第一个疫苗开发做的细胞。
单粒子低温电子显微镜用于调查的蛋白质分离病毒本身解开飙升的细胞结构[4]和cryo-ET调查。通过了解如何进入细胞,它使用结构,可以开发特定的药物干扰的结构,防止细胞条目[2]。这是补充其他先进的成像和x -射线衍射技术提供给我们钻石。结合软x射线成像cryo-ET和串行聚焦离子束扫描电镜允许SARS-CoV-2感染的详细图片描述[Mendonca等[2]]。x射线晶体学提供了高分辨率的结构数据,可用于加速药物发现过程和被成功地用于钻石来理解,例如,如何变异的担忧逃离自然或疫苗诱导免疫[参考-细胞论文斯图尔特等[5]]。
其他30%的角色在eBIC研究时间在我自己的项目更好地理解大脑通过调查大脑结构和功能之间的关系。理解在一个健康的系统可以提高我们理解系统是如何影响开发治疗疾病或精神卫生条件。我协助下一年行业学生处理主要神经元文化和获取x线断层照片研究小突触内的蛋白质。

我们雇佣的高分辨率显微技术在eBIC使用最新的技术。我发现它迷人的尽我所能地了解显微镜的技术细节。是伟大的故障排除显微镜挑战与工程师一起钻石,以及学习如何自己解决一些简单的问题。最近我发现自己在盒子里面的塔洛斯北极蛤属TEM试图找到一个特定的电缆需要unplugged重置连接!

高分辨率显微镜——需要什么样的经验和资格?

在学习物理的动机/显微镜的光学特性有助于更深入地理解显微镜和如何操作。
就我个人而言,我来到我的研究领域与普通生物学背景和专业到神经科学。我参加了一个密集的两周显微镜在我生物学本科学位,在此期间我学会了如何使用光学显微镜(LMs)。我发展到使用共焦LM在我硕士项目,我的博士期间和从那里搬到新兴市场。
现在我教EM和神经科学理学学士学生第三年。她非常积极和渴望学习的所有细节如何操作显微镜和如何种植神经元。
在钻石,有几个x射线设备可以用来研究相同的问题,但在不同的尺度上,从成像大卷使用断层扫描或相干成像或使用光谱技术研究细胞内化学。有很多的机会合作在钻石在校园和研究设施。因为工作环境是愉快的和灵活的,有足够的空间发展和进步领域的新兴市场,以及其他领域和技术。体验到这些技术的手和发现更多,有很多职业选择钻石像申请一年的行业,一个夏天的位置,或一个博士学位。
最终,一个需要好奇,愿意学习新事物,与愿意适应想法和观点。用正确的心态总有适合的角色。

引用

1。土耳其人,m和鲍迈斯特,w(2020),承诺和低温电子断层扫描的挑战。2月,594:3243 - 3261,https://doi.org/10.1002/1873 - 3468.13948
2。豪,资助者、L·吉尔克莱斯特JB, Sun D,骑士ML, Zanetti-Domingues LC,贝特曼B,柠檬酸,陈L, Radecke J,盛Y,李VD,倪T, Kounatidis我Koronfel妈,Szynkiewicz M, Harkiolaki M,张Martin-Fernandez ML,詹姆斯·W p相关多尺度cryo-imaging揭示SARS-CoV-2装配和出口。Nat Commun 12, 4629 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467 - 021 - 24887 - y
3所示。安文奈杰尔•约翰•贝里曼分析瞬态结构的cryo-microscopy结合快速混合喷雾液滴,Ultramicroscopy, 56岁的体积问题4,1994年,页241 - 252,ISSN 0304 - 3991, https://doi.org/10.1016/0304 - 3991 (94) 90012 - 4
4所示。Dejnirattisai, W。周,D。、Ginn h . M。、Duyvesteyn h . m . E。Supasa, P。情况下,j·B。赵,Y。,沃尔特·t·S。Mentzer, a·J。刘,C。王,B。Paesen, g . C。Slon-Campos, J。, López-Camacho, C., Kafai, N. M., Bailey, A. L., Chen, R. E., Ying, B., Thompson, C., …, Radecke J, … Screaton, G. R. (2021). The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain, Cell, Volume 184, Issue 8, 2021, Pages 2183-2200.e22, ISSN 0092-8674, https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.032 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286742100221X)
5。斯图尔特等:中和降低SARS-CoV-2 B.1.617疫苗和恢复期的血清DOI: 10.1016 / j.cell.2021.06.020 2021年6月;SARS-CoV-2β凸显了抗原的抗体反应距离其他变体DOI: 10.1016 / 2021年11月j.chom.2021.11.013;SARS-CoV-2 Omicron-B.1.1.529导致普遍逃离中和抗体反应DOI: 10.1016 / j.cell.2021.12.046 2022年1月
电子能中心(eBIC): https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Biological-Cryo-Imaging/eBIC.html
职业选择在钻石光源:https://www.diamond.ac.uk/Careers.html
图1图像改编自[2]Nat Commun 12, 4629 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467 - 021 - 24887 - y。依照Creative Commons许可复制:http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。