氙等离子体聚焦离子束:高压冷冻标本制备的创新技术,助力结构细胞生物学新突破

《Nature Communications》:

【字体: 时间:2025年03月08日 来源:Nature Communications

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  为解决冷冻聚焦离子束薄片制备通量受限,尤其是处理厚且复杂生物样本困难的问题,研究人员开展了利用氙等离子体聚焦离子束(PFIB)铣削制备薄片的研究。结果显示该方法成功率高,并确定了大肠杆菌核糖体 4.0 ? 结构。这为高分辨率原位结构生物学研究提供了新途径。

  在生命科学研究的微观世界里,探索细胞内大分子的结构与功能关系一直是科学家们的重要使命。冷冻电子断层扫描(cryo-ET)与聚焦离子束(FIB)薄片制备技术相结合,为这一探索提供了有力的工具。然而,目前该技术在实际应用中面临着诸多挑战。传统的镓液态金属离子源用于 FIB 薄片制备时,电流密度有限,大大限制了批量铣削的速度,这对于处理像组织和小型生物体等厚且生物结构复杂的样本来说,是一个巨大的障碍,严重影响了研究的通量和效率。同时,FIB 铣削过程中离子撞击样本表面会造成材料损伤,不同离子源、离子入射角和加速电压等因素对样本损伤的深度和程度都有不同影响,如何在提高制备效率的同时减少样本损伤,成为了亟待解决的难题。
为了突破这些困境,来自英国的研究团队(The Rosalind Franklin Institute、University of Glasgow、University of Oxford 等机构的研究人员)开展了深入研究。他们将目光聚焦于氙等离子体聚焦离子束铣削技术,试图探索其在高压冷冻样本薄片制备中的应用潜力。经过一系列实验,研究人员取得了令人瞩目的成果,相关研究发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中,研究人员主要运用了以下关键技术方法:首先是样本制备,对大肠杆菌和酿酒酵母进行高压冷冻处理;接着利用氙等离子体 FIB 在 Arctis 双束 FIB/SEM 显微镜上进行薄片制备,包括去除冰污染、溅射涂层、铣削沟槽等步骤;之后通过 cryo-ET 技术在 Titan Krios G4 TEM 上收集数据;利用多种数据处理软件如 Warp、AreTomo 等对数据进行处理和分析;还运用了亚体积平均(STA)技术确定核糖体结构 ,并通过 B 因子分析评估样本损伤情况。

研究结果主要如下:

  • 氙等离子体 FIB 薄片制备高压冷冻样本:研究人员对之前的方法进行改进,使其适用于等离子体 FIB 铣削。在制备过程中,他们增加了去除冰污染的步骤,通过低放大倍数下用 PFIB 束对网格两侧短时间成像来实现。利用氙在 60 nA 下进行沟槽铣削,相比其他离子源,氙对玻璃化样本的铣削速率更高。通过一系列复杂的铣削步骤,包括不同角度和电流的操作,最终成功制备出薄片。
  • 氙等离子体铣削制备的薄片适用于 STA:将改进后的铣削方法应用于高压冷冻的大肠杆菌和酿酒酵母样本,薄片制备成功率可达 70 - 84%。测量适用于 STA 的断层扫描图中局部薄片厚度,平均值在 144 - 209 nm 之间。从大肠杆菌数据集中提取核糖体,经过分类和精修,确定了 70S 核糖体的一致结构,整体分辨率达到 4.0 ?,部分区域达到 3.8 ? 的 Nyquist 采样极限,能够清晰识别氨基酸侧链,这展示了使用更高电流等离子体制备薄片在高分辨率原位结构生物学研究中的可行性。
  • 薄片背面的损伤:在薄片背面观察到无明显生物特征的区域,包括条纹层和平均长度为 0.72 μm 的无定形区域。通过对比 4 nA 和 60 nA 制备的薄片,发现 60 nA 制备的薄片无定形区域更长。但通过 B 因子分析,在无定形区域与薄片其他部分边界附近的核糖体,其 B 因子在不同距离组间无显著差异,表明在微米尺度上,无定形区域边界外没有可检测到的损伤传播。
  • 氙 PFIB 表面损伤穿透薄片的深度:利用 B 因子分析量化离子束损伤从铣削表面向薄片内部传播的深度。结果发现,距离铣削表面越近的核糖体,B 因子越高,分辨率越低。在距离表面 30 nm 内,结构质量显著下降,30 - 45 nm 之间损伤影响变得微不足道。通过对不同距离粒子集的 STA 分析,也证实了距离铣削表面小于 30 nm 的粒子集得到的结构分辨率较低。

研究结论和讨论部分表明,研究人员成功改进了利用氙 PFIB 铣削制备高压冷冻样本薄片的方法,提高了通量并减少了冰污染。该方法可常规制备适合 cryo - ET 的薄片,成功率和薄片厚度与当前其他方法相当。通过确定大肠杆菌 70S 核糖体 4.0 ? 的分辨率结构,证明了该方法在高分辨率原位结构生物学研究中的适用性。虽然在薄片背面观察到无定形和条纹区域,但 B 因子分析显示其对高分辨率 STA 影响不大。同时,研究明确了氙 PFIB 铣削造成的表面损伤深度,为后续研究选择离子源和优化实验条件提供了重要参考。这项研究为结构细胞生物学研究开辟了新道路,有助于更深入地探索细胞内大分子的结构与功能关系,推动生命科学领域的发展。

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