Name: preparation and observation of thick biological samples by scanning transmission electron tomography
Uploaded: 2017-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 4 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparation and Observation of Thick Biological Samples by Scanning Transmission Electron Tomography at JoVE.com

This work was funded by two ANR grants (ANR-11-BSV8-016 and ANR-10-IDEX-0001-02). We also acknowledge the PICT-IBiSA for providing access to chemical imaging equipment.

<ol>
	<li>De Rosier, D. J., Klug, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+three+dimensional+structures+from+electron+micrographs.">Reconstruction of three dimensional structures from electron micrographs.</a> Nature. 217 (5124), 130-134 (1968).</li><li>Gan, L., Jensen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+tomography+of+cells.">Electron tomography of cells.</a> Q Rev Biophys. 45 (1), 27-56 (2012).</li><li>Lucic, V., Rigort, A., Baumeister, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-electron+tomography:+the+challenge+of+doing+structural+biology+in+situ.">Cryo-electron tomography: the challenge of doing structural biology in situ.</a> J Cell Biol. 202 (3), 407-419 (2013).</li><li>Al-Amoudi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-electron+microscopy+of+vitreous+sections.">Cryo-electron microscopy of vitreous sections.</a> EMBO J. 23 (18), 3583-3588 (2004).</li><li>Koguchi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+STEM+for+observing+nanostructures.">Three-dimensional STEM for observing nanostructures.</a> J Electron Microsc (Tokyo). 50 (3), 235-241 (2001).</li><li>Midgley, P. A., Weyland, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+electron+microscopy+in+the+physical+sciences:+the+development+of+Z-contrast+and+EFTEM+tomography.">3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography.</a> Ultramicroscopy. 96 (3-4), 413-431 (2003).</li><li>Sousa, A. A., Azari, A. A., Zhang, G., Leapman, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-axis+electron+tomography+of+biological+specimens:+Extending+the+limits+of+specimen+thickness+with+bright-field+STEM+imaging.">Dual-axis electron tomography of biological specimens: Extending the limits of specimen thickness with bright-field STEM imaging.</a> J Struct Biol. 174 (1), 107-114 (2011).</li><li>Sousa, A. A., Leapman, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+application+of+STEM+for+the+biological+sciences.">Development and application of STEM for the biological sciences.</a> Ultramicroscopy. , 38-49 (2012).</li><li>Ercius, P., Muller, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Incoherent+bright+field+STEM+for+imaging+and+tomography+of+ultra-thick+TEM+cross-sections.">Incoherent bright field STEM for imaging and tomography of ultra-thick TEM cross-sections.</a> Microsc Microanal. 15, (2009).</li><li>Hyun, J. K., Ercius, P., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beam+spreading+and+spatial+resolution+in+thick+organic+specimens.">Beam spreading and spatial resolution in thick organic specimens.</a> Ultramicroscopy. 109 (1), 1-7 (2008).</li><li>Aoyama, K., Takagi, T., Hirase, A., Miyazawa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STEM+tomography+for+thick+biological+specimens.">STEM tomography for thick biological specimens.</a> Ultramicroscopy. 109 (1), 70-80 (2008).</li><li>Biskupek, J., Leschner, J., Walther, P., Kaiser, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+STEM+tomography+acquisition--a+comparison+of+convergent+beam+and+parallel+beam+STEM+tomography.">Optimization of STEM tomography acquisition--a comparison of convergent beam and parallel beam STEM tomography.</a> Ultramicroscopy. 110 (9), 1231-1237 (2010).</li><li>Hovden, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+the+Crowther+limit:+combining+depth-sectioning+and+tilt+tomography+for+high-resolution,+wide-field+3D+reconstructions.">Breaking the Crowther limit: combining depth-sectioning and tilt tomography for high-resolution, wide-field 3D reconstructions.</a> Ultramicroscopy. 140, 26-31 (2014).</li><li>Dahmen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+scanning+transmission+electron+microscopy+tilt-+and+focal+series.">Combined scanning transmission electron microscopy tilt- and focal series.</a> Microsc Microanal. 20 (2), 548-560 (2014).</li><li>Trepout, S., Messaoudi, C., Perrot, S., Bastin, P., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+transmission+electron+microscopy+through-focal+tilt-series+on+biological+specimens.">Scanning transmission electron microscopy through-focal tilt-series on biological specimens.</a> Micron. 77, 9-15 (2015).</li><li>Weyland, M., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+the+convergence+angle+for+optimum+STEM+performance.">Tuning the convergence angle for optimum STEM performance.</a> FEI Nanosolutions. 1 (24), (2005).</li><li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIH+Image+to+ImageJ:+25+years+of+image+analysis.">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nat Methods. 9 (7), 671-675 (2012).</li><li>Thevenaz, P., Ruttimann, U. E., Unser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+pyramid+approach+to+subpixel+registration+based+on+intensity.">A pyramid approach to subpixel registration based on intensity.</a> IEEE Trans Image Process. 7 (1), 27-41 (1998).</li><li>Forster, B., Van De Ville, D., Berent, J., Sage, D., Unser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complex+wavelets+for+extended+depth-of-field:+a+new+method+for+the+fusion+of+multichannel+microscopy+images.">Complex wavelets for extended depth-of-field: a new method for the fusion of multichannel microscopy images.</a> Microsc Res Tech. 65 (1-2), 33-42 (2004).</li><li>Messaoudii, C., Boudier, T., Sanchez Sorzano, ., O, C., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TomoJ:+tomography+software+for+three-dimensional+reconstruction+in+transmission+electron+microscopy.">TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy.</a> BMC Bioinformatics. 8, 288 (2007).</li><li>Sorzano, C. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marker-free+image+registration+of+electron+tomography+tilt-series.">Marker-free image registration of electron tomography tilt-series.</a> BMC Bioinformatics. 10, 124 (2009).</li><li>Kohl, L., Bastin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+flagellum+of+trypanosomes.">The flagellum of trypanosomes.</a> Int Rev Cytol. 244, 227-285 (2005).</li><li>Luft, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvements+in+epoxy+resin+embedding+methods.">Improvements in epoxy resin embedding methods.</a> J Biophys Biochem Cytol. 9, 409-414 (1961).</li><li>Mielanczyk, L., Matysiak, N., Michalski, M., Buldak, R., Wojnicz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closer+to+the+native+state.+Critical+evaluation+of+cryo-techniques+for+Transmission+Electron+Microscopy:+preparation+of+biological+samples.">Closer to the native state. Critical evaluation of cryo-techniques for Transmission Electron Microscopy: preparation of biological samples.</a> Folia Histochem Cytobiol. 52 (1), 1-17 (2014).</li><li>Hovden, R., Xin, H. L., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extended+depth+of+field+for+high-resolution+scanning+transmission+electron+microscopy.">Extended depth of field for high-resolution scanning transmission electron microscopy.</a> Microsc Microanal. 17 (1), 75-80 (2011).</li><li>Dahmen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Ettention+software+package.">The Ettention software package.</a> Ultramicroscopy. 161, 110-118 (2016).</li><li>Murata, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole-cell+imaging+of+the+budding+yeast+Saccharomyces+cerevisiae+by+high-voltage+scanning+transmission+electron+tomography.">Whole-cell imaging of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae by high-voltage scanning transmission electron tomography.</a> Ultramicroscopy. 146, 39-45 (2014).</li><li>Kizilyaprak, C., Daraspe, J., Humbel, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+ion+beam+scanning+electron+microscopy+in+biology.">Focused ion beam scanning electron microscopy in biology.</a> J Microsc. 254 (3), 109-114 (2014).</li><li>Kubota, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+developments+in+electron+microscopy+for+serial+image+acquisition+of+neuronal+profiles.">New developments in electron microscopy for serial image acquisition of neuronal profiles.</a> Microscopy (Oxf). 64 (1), 27-36 (2015).</li><li>Levin, B. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomaterial+datasets+to+advance+tomography+in+scanning+transmission+electron+microscopy.">Nanomaterial datasets to advance tomography in scanning transmission electron microscopy.</a> Sci Data. 3, 160041 (2016).</li></ol>

We have no conflict of interest to disclose.

في هذه المقالة، نقدم بروتوكول إعداد نموذج التقليدية جنبا إلى جنب مع دليل خطوة بخطوة لإجراء تحليل 3D على العينات البيولوجية سميكة باستخدام STEM من خلال البؤرية التصوير المقطعي. وقد تم استخدام الراتنج التضمين من العينات البيولوجية لعقود 26، والبروتوكولات البديلة التي يتم تكييفها لأنواع مختلفة من العينات يمكن العثور على طوال الأدب 27. في المقابل، التصوير عينات سميكة في STEM باستخدام طرق من خلال التركيز هو مشروع جديد، وعلى الأرجح أن تتحسن الطرق كما أن تصبح أكثر انتشارا. وكان الهدف من هذا العمل لوصف بروتوكول إعداد العينات، وبشكل أكثر تحديدا، وظروف التصوير لأداء من خلال-تنسيق اكتساب الميل سلسلة في STEM مع المعدات المتوفرة حاليا وفي كمية معقولة من الزمن. لهذا السبب، استخدمت فترات التركيز كبيرة. في الواقع، ليس هناك إجماع حول كيفية إغلاقوينبغي أن تكون طائرات التنسيق لتصوير عينة سميكة مع STEM عن طريق البؤرية إمالة سلسلة. وعادة ما يستغرق فترة تصل إلى عدة ثوان لجمع الصور STEM، وكلها التقليدية إمالة سلسلة يمكن أن يستغرق ساعات لإكمال. ونتيجة لإثبات صحة مفهوم، فمن الممكن لجمع مئات أو حتى آلاف من الصور. ومع ذلك، فمن الواضح أن لا تناسب الأوقات جمع طويلة للاستخدام اليومي. يجب أن تؤخذ شعاع الاستقرار وعينة الانجراف في الاعتبار عند تصميم مثل هذه التجارب الطويلة. وعلاوة على ذلك، وأحيانا جمع طويلة تثير مسألة جرعة الإلكترون المتراكمة. وهكذا، في الوقت الحاضر، STEM من خلال البؤرية إمالة سلسلة هي مناسبة فقط لدراسة عينات مقاومة للشعاع، مثل العينات البيولوجية جزءا لا يتجزأ من الراتنج أو المواد غير العضوية، وذلك أساسا بسبب جرعة الإلكترون كبيرة المطلوبة. ونظرا للمفاضلة بين اكتساب الوقت والجودة من إعادة الإعمار 3D النهائي، ونحن نوصي باستخدام فترات قليلة خلال البؤرية في المشاريع حيث لا يشترط ارتفاع القرار،الثانية ونحن نوصي باستخدام أكبر كمية من فترات خلال البؤرية في المشاريع التي تتطلب دقة عالية. هناك عدم توافق في الآراء حول الخطوات المحددة في هذه الطريقة بسبب حداثته. ومع ذلك، فمن الواضح أن العديد من الخطوات الهامة لإعادة البناء عالية الجودة من STEM من خلال البؤرية إمالة سلسلة قواعد البيانات. أولا، محاذاة الصور التنسيق في كل زاوية الميل يجب أن يتم تنفيذها بعناية، كما أشار في المواد الأصلية ثلاثة اصفا من خلال البؤرية جمع الصور 13 و 14 و 15. على الرغم من أن الصور التي تم جمعها في القيم تنسيق مختلف لا تبادل المعلومات المشتركة، Turboreg يبقى حلا جيدا للدقيقة، المحاذاة التلقائية للصور. ثانيا، دمج الصور الوصل، كما يؤديها في هذا البروتوكول، في الاستفادة من توليد صورة واحدة في زاوية الميل، والتي يتم التعامل بسهولة من قبل أي محاذاة الميل سلسلةمنة و 3D برنامج برنامج إعادة الإعمار. تم تصميم عمق الممتدة من المكونات في الميدان في البداية للصور المجهر الخفيفة؛ ومع ذلك، يبدو أن الحل الأفضل لدمج المعلومات في التركيز من الميكروسكوب الإلكتروني 28. حل بديل هو النظر في مجموعة كاملة من الصور ومجموعة بيانات إمالة سلسلة واحدة مع عدة صور في زاوية الميل، على غرار ما قامت به Hovden وآخرون. 13 وDAHMEN وآخرون. 14. هذا يتطلب استخدام خوارزميات إعادة البناء على أساس فورييه-13 أو Ettention، الذي تم تطويره من قبل DAHMEN وآخرون. 29 والذي هو برنامج إعادة الإعمار 3D الوحيد الذي يمكن إعادة مجلدات 3D من الصور التي تم جمعها في القيم المحورية المختلفة في الفضاء الحقيقي. والجدير بالذكر، أن مثل هذه الحلول البديلة تتطلب خطوة محاذاة إضافية في الاتجاه البؤري (Z-محور)، والتي قد تنتج دورة الفتشوب مربكةLTS التي تتعارض مع فترات يزيل التباؤر المختار خلال جمع الصور، كما نوقش في DAHMEN وآخرون. 14. دمج المعلومات في التركيز، كما وردت في هذا البروتوكول، في الاستفادة من توليد صورة كما لو تم جمع البيانات باستخدام مواز، وبالتالي تجنب هذه الخطوة المواءمة إضافية في Z-الاتجاه. وقد تم تطوير أساليب الميل من خلال سلسلة البؤرية لدراسة عينات سميكة (حوالي 1 ميكرون). القيد الرئيسي من هذه الأساليب هو أنها لا يمكن أن تستخدم لدراسة عينات أكثر سمكا من عدة ميكرون، لأن شعاع الالكترون لا يمكن أن تخترق هذه العينات. هذا التحديد يأتي من متوسط ​​المسار الحر من الإلكترونات، التي تعتمد على الجهد التسارع. على الرغم من ارتفاع الجهد (أي 1000 كيلو فولت) المجاهر الإلكترونية يمكن استخدامها جدا لتصوير الخلايا حقيقية النواة 30، وعينات سميكة جدا لا تزال تتطلب استخدام تقنيات أخرى، مثل focuseد شعاع أيون أو تسلسلي كتلة وجه مسح الإلكترون المجهري 31، 32. ومع ذلك، هذه الأساليب تولد إعادة البناء متباين الخواص التي يمكن أن تعتبر رزمة من الصور لأن المحور Z، والذي يعرف بأنه عمق القطع للأسلوب، وليس أي ما يعادل X- ومحاور Y-. هذه التقنيات لا يمكن أن تستخدم للدراسات عالية الدقة. في عام 2014 وعام 2015، وذكرت ثلاث مواد الأصلية أساليب مختلفة للتصوير عينات سميكة 13 و 14 و 15. ومنذ ذلك الحين، استخدمت سوى عدد قليل من الدراسات على أي من هذه الأساليب لدراسة عينات سميكة 33. والتحسينات في أساليب تساعد على تعميم التصوير من خلال-تنسيق في STEM. ولا سيما في علوم الحياة، تحتاج الطرق من خلال البؤرية إلى أن يكون الأمثل لمراقبة العينات تحت ظروف المبردة. هذا يشكل تحديا كبيرا، حيث ان العينات المبردة هيحساسية خاصة إلى إلكترون جرعة، والأساليب من خلال التركيز تتطلب العديد من الصور.

منذ أوائل 1970s، يقترب التصوير المقطعي في انتقال المجهر الإلكتروني (تيم) وقد استخدمت على نطاق واسع لتوصيف الهيكلي من العينات البيولوجية 1، 2، 3. كان النداء من التصوير المقطعي الإلكترون أنها يمكن أن تستخدم لدراسة مجموعة واسعة من الهياكل البيولوجية على مقياس متناهي الصغر، من بنية الخلايا والتركيب الدقيق للعضيات لهيكل المجمعات الجزيئات والبروتينات. ومع ذلك، لا يمكن استخدام التصوير المقطعي الإلكترون لدراسة عينات سميكة جدا (أكبر من 0.5 ميكرون). في الواقع، عينات سميكة تنتج الكثير من الإلكترونات المبعثرة، وتوليد منخفضة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وصور. وبالإضافة إلى ذلك، التصوير المقطعي ينطوي على مجموعة من الصور من العينات يميل، مع سماكة واضح من العينة زيادة مع زاوية الميل. على الرغم من نثر غير مرن يمكن أن تتم تصفيتهخارج باستخدام مرشحات الطاقة، يتم الوصول إلى كمية حرجة من الإلكترونات اللازم للصور SNR عالية بالكاد في تيم. وبالتالي، يكون فقط تم دراسة العينات البيولوجية سميكة باستخدام باجتزاء 4. بعض العينات لا يمكن أن شرائح: البعض قد تتحلل عندما يتم قطع، والبعض الآخر بحاجة إلى أن تدرس في مجملها من أجل فهم تعقيداتها. نهج بديل هو استخدام تيم في وضع 5، 6، 7، 8 المسح الضوئي. في المجهر الإلكتروني النافذ (STEM)، مسار بصري من الإلكترونات وهو يختلف عن ذلك في TEM التقليدية. الالكترونات التي تمر عبر عينة من دون تشتت يمكن جمعها على المحور البصري مع مشرق الميدان (BF) كاشف 9، في حين أن تلك المنتشرة مطاطيا يمكن جمعها في زاوية معينة من المحور البصري مع كاشف الظلام الميدان (DF).ميزة أخرى من STEM هي أن شعاع الالكترون تركيزا يتم فحصه على سطح العينة، مما يساعد على جمع بكسل حسب بكسل للصور. على الرغم من أن شعاع الالكترون يوسع بينما يمر من خلال العينة 10، هذا المخطط مجموعة معينة هو أقل حساسية للإلكترونات المنتشرة inelastically من تيم التقليدية. وعلاوة على ذلك، ليس هناك عدسة بعد العينة في STEM، وبالتالي تجنب الانحرافات اللونية التي يمكن أن تحدث في تيم. طول الكاميرا يمكن تعديلها بحيث كاشف BF بالكشف أساسا الإلكترونات unscattered. باستخدام كاشف DF لدراسة عينات سميكة لا ينصح به بسبب تشتت متعددة، والتي تنتج صورا دقيقة. بدلا من ذلك، كشف BF يمكن استخدام 11. في حين الجذعية يمكن أن تنتج صورا SNR عالية، ولديها منخفض نسبيا العمق من الميدان نظرا للتقارب شعاع عالية نسبيا مقارنة مع تيم، والحد من كمية المعلومات المتعمقة التي يمكن استردادها من سميكةالعينات. في حالة المجهر STEM لتصحيح انحراف، حيث زاوية التقارب يمكن أن تصل إلى 30 مراد، يمكن مجال العمق من تكون منخفضة بما فيه الكفاية بحيث تنبع المعلومات التي هي في التركيز من طائرة الوصل فقط بضعة نانوميتر . إنشاء شعاع الالكترون في وضع مواز يعزز العمق من مجال شعاع الالكترون على حساب القرار 12. ومع ذلك، هذا الإعداد ليس من الممكن دائما. كلما كان ذلك ضروريا لاستخدام شعاع متقاربة الإلكترون، لا بد من استخدام التقنيات التي تعزز العمق من مجال شعاع الالكترون عند دراسة عينات سميكة. وأفادت الدراسات الأخيرة اقتناء صور متعددة في طائرات التنسيق المختلفة في جميع أنحاء عينة لاسترداد أكبر قدر ممكن من المعلومات في التركيز 13 و 14. تصف الدراسات طريقتين مختلفتين للتعامل مع المعلومات من طائرات التنسيق المختلفة. Hovden وآخرون.الجمع في الفضاء فورييه الصور التي تم جمعها في طائرات التنسيق المختلفة، والحصول على إعادة الإعمار النهائي مباشرة من معكوس 3D تحويل فورييه 13. في المقابل، DAHMEN وآخرون. وضع محرك شعاع اعادة الاعمار متقاربة لإعادة بناء في الفضاء الحقيقي حجم 3D من طائرات التنسيق المختلفة 14. وضعت لدينا مختبر أيضا وسيلة لتصوير العينات البيولوجية سميكة. كانت استراتيجيتنا مختلفة من طريقتين المذكورة أعلاه في أننا دمج المعلومات التي هي في التركيز في طائرات التنسيق المختلفة وإعادة بنائها حجم 3D النهائي في الفضاء الحقيقي باستخدام شعاع ضوئي مواز 15. كان هدفنا هو تطوير طريقة التي يمكن أن تتم في أي مختبر المجهر الإلكتروني. تحقيقا لهذه الغاية، ونحن تهدف إلى جمع الصور محورية في كمية محدودة من الوقت، مقارنة الإطار الزمني للتجارب التصوير المقطعي التقليدية. وبالإضافة إلى ذلك، لدينا اقتراح طريقة جولد تكييفها للاستخدام مع أنواع مختلفة من التنسيق والبرمجيات إعادة الإعمار. في سياق النشر لدينا من 2015 15، أردنا أن تصور وتميز الانتعاش من العمق من الميدان، لذلك استخدمنا تقارب كبير شبه زاوية من 25 مراد. هنا، نقدم بروتوكول خطوة بخطوة لأداء من خلال-تنسيق التصوير في STEM وفقا لطريقة تم تطويرها في المختبر لدينا في عام 2015 15، ونقدم كيف تمت معالجة البيانات من 2015. هذه الطريقة استرداد المعلومات في التركيز من عدة طائرات التنسيق في جميع أنحاء (750 نانومتر) عينة بيولوجية سميكة ويمكن اعادة البناء 3D عالية الجودة. حيثما كان ذلك مناسبا، وتعرض أيضا الاختلافات في هذه المنهجية مقابل الأساليب التي تستخدمها الجماعات الأخرى.

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

preparation and observation of thick biological samples by scanning transmission electron tomography

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.

في دراستنا، وتسارع الإلكترونات إلى 200 كيلو فولت في انبعاث المجال المجهر انتقال الإلكترون بندقية. وقد تم جمع الصور في وضع STEM BF باستخدام مدة انتظار 20 ميكرو ثانية. وفيما يتعلق تصميم الميل من خلال سلسلة البؤرية، وجدنا أن فترات التركيز من 150 نانومتر أعطى نتائج مرضية لدراسة التركيبية من 750 نانومتر سميكة البيولوجية عينة على الرغم من أن الحقل العمق من شعاع الالكترون كان فقط 3 نانومتر منذ كنا كبيرة جدا تقارب شبه زاوية من 25 مراد. العينة التي تم تحليلها في هذا التقرير هي المثقبية البروسية، وهو حقيقي النواة وحيدة الخلية التي تدرس بشكل مكثف لأن هذا عضية يتم حفظها بشكل ملحوظ من الطلائعيات على الثدييات 25 السوط. تم علاج الخلايا على النحو الوارد في بروتوكول إعداد العينات، وركزنا على التحليل البنيوي على الجيب سوطي من T. البروسية ( <strأونج&gt; الشكل 2A). عندما تكون العينة يميل للغاية (70 درجة الميل) في المجهر الإلكتروني، وجمع سلسلة من الصور في قيم تركيز مختلفة (كما يتم تنفيذ ذلك أثناء التصوير من خلال البؤرية) يؤدي الى تحول في جزء من العينة التي هي في التركيز (الشكل 2B، C، و D). على الصور التي تم جمعها، والمنطقة التي هي في التركيز يبدو رقيقة، والأكثر من الصورة غير واضحة بسبب مجال العمق من محدود. يتم تنفيذ دمج المعلومات في التركيز على الصور التي تم جمعها وتنتج صورة واحدة، حيث منطقة في التركيز أوسع من ذلك بكثير (الشكل 2E). دمج المعلومات في التركيز يمكن تصور أفضل عن طريق تسليط الضوء على المناطق ذات تردد عال من الميل سلسلة الصور من خلال البؤرية (بكسل البيضاء في الشكل 2F، G و H). كان الأمر يماغيج &quot;إيجاد الحواف&quot; لناإد في هذه الدراسة. يستخدم هذا الأمر تصفية سوبيل للكشف عن تغيرات في شدة بكسل المجاورة. نزوح من منطقة عالية التردد الكشف يمكن ملاحظتها من صورة واحدة إلى أخرى. على الصورة حيث تم دمج المعلومات في التركيز، وترددات عالية تغطي أكثر من الصورة (الشكل 2I). يسمح هذا الأسلوب التحقق من تجهيز جيد من خلال البؤرية إمالة سلسلة. استخدام من خلال البؤرية إمالة سلسلة، يتم جمع معلومات إضافية في التركيز وتستخدم أثناء عملية إعادة الإعمار 3D. وهذا ينتج المزيد من التباين وSNR ويقلل من آثار عدم وضوح لوحظ في اعادة البناء 3D من العمق من الميدان المحدود الصور 15. في الفضاء فورييه، يتم استرداد معلومات إضافية مقارنة مخطط جمع إمالة سلسلة الكلاسيكية، حيث لا يوجد سوى على المستوى البؤري يتم جمعها 13. وعموما، فإن نوعية في كل أنحاء 3إعادة الإعمار D هو أكثر الخواص مقارنة مخطط الكلاسيكية جمع إمالة سلسلة. <img alt="شكل 1" src="/files/ftp_upload/55215/55215fig1.jpg" /> الشكل 1: صور عرض الخطوات المختلفة لبروتوكول إعداد العينات البيولوجية. ويمكن تقسيم بروتوكول إعداد العينات إلى أربع أنابيب الخطوات. وأ) ثابت العينة في امتصاص العرق وغلوتارالدهيد، B) وظيفة ثابتة في رباعي أكسيد الأوزميوم ويتناقض مع خلات اليورانيل، C) المجففة في الإيثانول، ودال) جزءا لا يتجزأ من الراتنج. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55215/55215fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل 2" src="/files/ftp_upload/55215/55215fig2.jpg" /> <strong&gt; الشكل 2: التحقق من الانتعاش العمق من الميدان. انتعاش مجال العمق من يمكن التحقق على الصور من عينة مائلة. أ) في 0 درجة الميل، والعديد من التفاصيل يمكن ملاحظتها في جيب سوطي (العلم جيب) للخلية T. البروسية جزءا لا يتجزأ من الراتنج. يقع جيب سوطي في السيتوبلازم (CYT)، والقاعدية الجسم (BB) المراسي السوط (العلم) لغشاء سوطي. B، C، و D) ثلاث صور من نفس جيب سوطي، يميل في 70 درجة في المجهر الإلكتروني، تم الحصول عليها. تم جمعها مع فترات التركيز من 300 نانومتر. E) ولدت هذه الصورة من عمق الممتدة من الميدان يماغيج المساعد ويحتوي على المعلومات في التركيز على B، C، و D F، G، H، وI) تم احتساب هذه الصور مع &quot;إيجاد الحواف&quot; الأمر في يماغيج من أجل HIGHLآيت المعلومات عالية التردد الواردة في B، C، D و E، على التوالي. تمثل بكسل البيضاء الترددات العالية، الموافق المعلومات في التركيز. شريط المقياس هو 250 نانومتر. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55215/55215fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> التكميلي ملف 1. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55215/Supplementary1.ijm" target="_blank">يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Preparation and Observation of Thick Biological Samples by Scanning Transmission Electron Tomography at JoVE.com

Preparation and Observation of Thick Biological Samples by Scanning Transmission Electron Tomography

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

إعداد ومراقبة العينات البيولوجية سميكة من قبل الضوئي نقل الإلكترون التصوير المقطعي

This report describes a protocol for preparing thick biological specimens for further observation using a scanning transmission electron microscope. It ...

preparation-observation-thick-biological-samples-scanning

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Biology

9.2K Views.  Campus Universitaire d'Orsay. This report describes a sample preparation protocol and specific imaging conditions for performing scanning transmission electron tomography of thick biological specimens.

Video: Preparation and Observation of Thick Biological Samples by Scanning Transmission Electron Tomography

Sample Preparation Method of Scanning and Transmission Electron Microscope for the Appendages of Woodboring Beetle

This report described sample preparation methods that scanning and transmission electron microscope observations, demonstrated by preparing appendages of the woodboring beetle, Chlorophorus caragana Xie &#38; Wang (2012), for both types of electron microscopy. The scanning electron microscopy (SEM) sample preparation protocol was based on sample chemical fixation, dehydration in a series of ethanol baths, drying, and sputter-coating. By adding Tween 20 (Polyoxyethylene sorbitan laurate) to the fixative and the wash solution, the insect body surface of woodboring beetle was washed more cleanly in SEM. This study&#39;s transmission electron microscopy (TEM) sample preparation involved a series of steps including fixation, ethanol dehydration, embedding in resin, positioning using fluorescence microscopy, sectioning, and staining. Fixative with Tween 20 enabled penetrate the insect body wall of woodboring beetle more easily than it would had been without Tween 20, and subsequently better fixed tissues and organs in the body, thus yielded clear transmission electron microscope observations of insect sensilla ultrastructures. The next step of this preparation was determining the positions of insect sensilla in the sample embedded in the resin block by using fluorescence microscopy to increase the precision of target sensilla positioning. This improved slicing accuracy.

In order to observe ultrastructure of insect sensilla, scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM, respectively) sample preparation protocol were presented in the study. Tween 20 was added into the fixative to avoid sample deformation in SEM. Fluorescence microscopy was helpful for improving slicing accuracy in TEM.

طريقة إعداد عينة من المسح الضوئي وانتقال المجهر الإلكتروني لزوائد خنفساء الخشب

This report described sample preparation methods that scanning and transmission electron microscope observations, demonstrated by preparing appendages of ...

Environment

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin sections of the specimen. Although preparing serial ultrathin sections is considered to be very difficult, it is rather easy if the proper method is used. In this paper, we show a step-by-step procedure for safely obtaining serial ultrathin sections of microorganisms. The key points of this method are: 1) to use the large part of the specimen and adjust the specimen surface and knife edge so that they are parallel to each other; 2) to cut serial sections in groups and avoid difficulty in separating sections using a pair of hair strands when retrieving a group of serial sections onto the slit grids; 3) to use a 'Section-holding loop' and avoid mixing up the order of the section groups; 4) to use a 'Water-surface-raising loop' and make sure the sections are positioned on the apex of the water and that they touch the grid first, in order to place them in the desired position on the grids; 5) to use the support film on an aluminum rack and make it easier to recover the sections on the grids and to avoid wrinkling of the support film; and 6) to use a staining tube and avoid accidentally breaking the support films with tweezers. This new method enables obtaining serial ultrathin sections without difficulty. The method makes it possible to analyze cell structures of microorganisms at high resolution in 3D, which cannot be achieved by using the automatic tape-collecting ultramicrotome method and serial block-face or focused ion beam scanning electron microscopy.

This study presents reliable and easy procedures for obtaining serial ultrathin sections of a microorganism without expensive equipment in transmission electron microscopy.

أسلوب للحصول على مقاطع سامسونج المسلسل من الكائنات المجهرية في مجهر إلكتروني

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Engineering

Processing Embryo, Eggshell, and Fungal Culture for Scanning Electron Microscopy

Although scanning electron microscopy (SEM) is being widely used for the ultra-structural analysis of various biological and non-biological samples, methods involved in processing different biological samples involve unique practices. All conventional practices described in the literature for processing samples still find useful applications, but subtle changes in the sample preparation can alter image quality, as well as, introduce artifacts. Hence, using a unique sample preparation technique specific to the type of tissue analyzed is required to obtain a good quality image with ultrastructural resolution. The focus of this study is to provide the optimal sample preparation protocols for imaging embryos, rigid eggshells, and fungal cultures using SEM. The following optimizations were recommended to yield good results for the three different delicate biological samples studied. Use of milder fixatives like 4% paraformaldehyde or 3% glutaraldehyde followed by dehydration with ethanol series is mandatory. Fungal mycelium on agar blocks obtained by slide cultures yields a better ultrastructural integrity compared to cultures taken directly from agar plates. Chemical drying of embryos with HMDS provides drying without introducing surface tension artifacts compared to critical point drying. HMDS prevents cracking caused by shrinkage as samples are less brittle during drying. However, for fungal culture, critical point drying provides acceptable image quality compared to chemical drying. Eggshells can be imaged with no special preparation steps except for thorough washing and air drying prior to mounting. Preparation methodologies were standardized based on acceptable image quality obtained with each trial.&#160;

Here, we present detailed processing protocols for imaging delicate tissue samples using scanning electron microscopy (SEM). Three different processing methods, namely, hexamethyl disilazana (HMDS) chemical drying, simple air drying, and critical point drying are described for preparing rigid eggshells, embryos at early developmental stages, and fungal cultures respectively.

معالجة الجنين، قشر البيض، والثقافة الفطرية لمسح المجهر الإلكتروني

Although scanning electron microscopy (SEM) is being widely used for the ultra-structural analysis of various biological and non-biological samples, ...

Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography

Cryo-electron tomography (Cryo-ET) is a powerful three-dimensional (3-D) imaging technique for visualizing macromolecular complexes in their native context at a molecular level. The technique involves initially preserving the sample in its native state by rapidly freezing the specimen in vitreous ice, then collecting a series of micrographs from different angles at high magnification, and finally computationally reconstructing a 3-D density map. The frozen-hydrated specimen is extremely sensitive to the electron beam and so micrographs are collected at very low electron doses to limit the radiation damage. As a result, the raw cryo-tomogram has a very low signal to noise ratio characterized by an intrinsically noisy image. To better visualize subjects of interest, conventional imaging analysis and sub-tomogram averaging in which sub-tomograms of the subject are extracted from the initial tomogram and aligned and averaged are utilized to improve both contrast and resolution. Large datasets of tilt-series are essential to understanding and resolving the complexes at different states, conditions, or mutations as well as obtaining a large enough collection of sub-tomograms for averaging and classification. Collecting and processing this data can be a major obstacle preventing further analysis. Here we describe a high-throughput cryo-ET protocol based on a computer-controlled 300kV cryo-electron microscope, a direct detection device (DDD) camera and a highly effective, semi-automated image-processing pipeline software wrapper library tomoauto developed in-house. This protocol has been effectively utilized to visualize the intact type III secretion system (T3SS) in Shigella flexneri minicells. It can be applicable to any project suitable for cryo-ET.

We present a protocol on how to utilize high-throughput cryo-electron tomography to determine high resolution in situ structures of molecular machines. The protocol permits large amounts of data to be processed, avoids common bottlenecks and reduces resource downtime, allowing the user to focus on important biological questions.

باستخدام Tomoauto: بروتوكول لإنتاجية عالية الآلي البرد الإلكترون التصوير المقطعي

Cryo-electron tomography (Cryo-ET) is a powerful three-dimensional (3-D) imaging technique for visualizing macromolecular complexes in their native ...

Bioengineering

Miniaturized Sample Preparation for Transmission Electron Microscopy

Due to recent technological progress, cryo-electron microscopy (cryo-EM) is rapidly becoming a standard method for the structural analysis of protein complexes to atomic resolution. However, protein isolation techniques and sample preparation methods for EM remain a bottleneck. A relatively small number (100,000 to a few million) of individual protein particles need to be imaged for the high-resolution analysis of proteins by the single particle EM approach, making miniaturized sample handling techniques and microfluidic principles feasible.
A miniaturized, paper-blotting-free EM grid preparation method for sample pre-conditioning, EM grid priming and post processing that only consumes nanoliter-volumes of sample is presented. The method uses a dispensing system with sub-nanoliter precision to control liquid uptake and EM grid priming, a platform to control the grid temperature thereby determining the relative humidity above the EM grid, and a pick-and-plunge-mechanism for sample vitrification. For cryo-EM, an EM grid is placed on the temperature-controlled stage and the sample is aspirated into a capillary. The capillary tip is positioned in proximity to the grid surface, the grid is loaded with the sample and excess is re-aspirated into the microcapillary. Subsequently, the sample film is stabilized and slightly thinned by controlled water evaporation regulated by the offset of the platform temperature relative to the dew-point. At a given point the pick-and-plunge mechanism is triggered, rapidly transferring the primed EM grid into liquid ethane for sample vitrification. Alternatively, sample-conditioning methods are available to prepare nanoliter-sized sample volumes for negative stain (NS) EM.
The methodologies greatly reduce sample consumption and avoid approaches potentially harmful to proteins, such as the filter paper blotting used in conventional methods. Furthermore, the minuscule amount of sample required allows novel experimental strategies, such as fast sample conditioning, combination with single-cell lysis for &#34;visual proteomics,&#34; or &#34;lossless&#34; total sample preparation for quantitative analysis of complex samples.

An instrument and methods for the preparation of nanoliter-sized sample volumes for transmission electron microscopy is presented. No paper-blotting steps are required, thus avoiding the detrimental consequences this can have for proteins, significantly reducing sample loss and enabling the analysis of single cell lysate for visual proteomics.

إعداد عينة المنمنمة مجهر إلكتروني

Due to recent technological progress, cryo-electron microscopy (cryo-EM) is rapidly becoming a standard method for the structural analysis of protein ...

Array Tomography Workflow for the Targeted Acquisition of Volume Information using Scanning Electron Microscopy

Electron microscopy is applied in biology and medicine for imaging of cellular and structural details at nanometer resolution. Historically, Transmission Electron Microscopy (TEM) provided insight into cell ultrastructure, but in the recent decade, the development of modern Scanning Electron Microscopes (SEM) has changed the way of looking inside the cells. Even though the resolution of TEM is superior when protein-level structural details are needed, SEM-resolution is sufficient for the majority of the organelle-level cell biology-related questions. The advancement in technology enabled automatic volume acquisition solutions such as Serial block-face imaging (SBF-SEM) and Focused ion beam SEM (FIB-SEM). Nevertheless, to this day, these methods remain inefficient when the identification and navigation to areas of interest are crucial. Without the means for precise localization of target areas before imaging, operators need to acquire much more data than they need (in SBF-SEM), or, even worse, prepare many grids and image them all (in TEM). We propose the strategy of "lateral screening" using Array Tomography in SEM, which facilitates the localization of areas of interest, followed by automated imaging of the relevant fraction of the total sample volume. Array tomography samples are conserved during imaging, and they can be arranged into section libraries ready for repeated imaging. Several examples are shown in which lateral screening enables us to analyze structural details that are incredibly challenging to access with any other method.

We describe the preparation of ribbons of serial sections and their collection on large transfer support for use as Array Tomography samples, along with automated imaging procedures in a scanning electron microscope. The protocol allows screening, retrieval, and targeted imaging of local, rare events, and the acquisition of large data volumes.

سير عمل التصوير المقطعي للصفيف للحصول المستهدف على معلومات الحجم باستخدام المجهر الإلكتروني المسح الضوئي

Electron microscopy is applied in biology and medicine for imaging of cellular and structural details at nanometer resolution. Historically, Transmission ...

A 3D Cartographic Description of the Cell by Cryo Soft X-ray Tomography

Imaging techniques are fundamental in order to understand cell organization and machinery in biological research and the related fields. Among these techniques, cryo soft X-ray tomography (SXT) allows imaging whole cryo-preserved cells in the water window X-ray energy range (284-543 eV), in which carbon structures have intrinsically higher absorption than water, allowing the 3D reconstruction of the linear absorption coefficient of the material contained in each voxel. Quantitative structural information at the level of whole cells up to 10 &#181;m thick is then achievable this way, with high throughput and spatial resolution down to 25-30 nm half-pitch. Cryo-SXT has proven itself relevant to current biomedical research, providing 3D information on cellular infection processes (virus, bacteria, or parasites), morphological changes due to diseases (such as recessive genetic diseases) and helping us understand drug action at the cellular level, or locating specific structures in the 3D cellular environment. In addition, by taking advantage of the tunable wavelength at synchrotron facilities, spectro-microscopy or its 3D counterpart, spectro-tomography, can also be used to image and quantify specific elements in the cell, such as calcium in biomineralization processes. Cryo-SXT provides complementary information to other biological imaging techniques such as electron microscopy, X-ray fluorescence or visible light fluorescence, and is generally used as a partner method for 2D or 3D correlative imaging at cryogenic conditions in order to link function, location, and morphology.

Here, a protocol describing the sample preparation and data collection steps required in cryo soft X-ray tomography (SXT) to image the ultrastructure of whole cryo-preserved cells at a resolution of 25 nm half pitch, is presented.

وصف رسم الخرائط 3D للخلية بواسطة التصوير المقطعي بالأشعة السينية الناعمة Cryo

Imaging techniques are fundamental in order to understand cell organization and machinery in biological research and the related fields. Among these ...

Strategies for Optimization of Cryogenic Electron Tomography Data Acquisition

Cryogenic electron tomography (cryoET) is a powerful method to study the 3D structure of biological samples in a close-to-native state. Current state-of-the-art cryoET combined with subtomogram averaging analysis enables the high-resolution structural determination of macromolecular complexes that are present in multiple copies within tomographic reconstructions. Tomographic experiments usually require a vast amount of tilt series to be acquired by means of high-end transmission electron microscopes with important operational running-costs. Although the throughput and reliability of automated data acquisition routines have constantly improved over the recent years, the process of selecting regions of interest at which a tilt series will be acquired cannot be easily automated and it still relies on the user's manual input. Therefore, the set-up of a large-scale data collection session is a time-consuming procedure that can considerably reduce the remaining microscope time available for tilt series acquisition. Here, the protocol describes the recently developed implementations based on the SerialEM package and the PyEM software that significantly improve the time-efficiency of grid screening and large-scale tilt series data collection. The presented protocol illustrates how to use SerialEM scripting functionalities to fully automate grid mapping, grid square mapping, and tilt series acquisition. Furthermore, the protocol describes how to use PyEM to select additional acquisition targets in off-line mode after automated data collection is initiated. To illustrate this protocol, its application in the context of high-end data collection of Sars-Cov-2 tilt series is described. The presented pipeline is particularly suited to maximizing the time-efficiency of tomography experiments that require a careful selection of acquisition targets and at the same time a large amount of tilt series to be collected.

The increasing demand for large-scale data collection in cryogenic electron tomography requires high-throughput image acquisition routines. Described here is a protocol that implements the recent developments of advanced acquisition strategies aimed at maximizing the time-efficiency and throughput of tomographic data collection.

استراتيجيات لتحسين الحصول على بيانات التصوير المقطعي الإلكتروني المبرد

Cryogenic electron tomography (cryoET) is a powerful method to study the 3D structure of biological samples in a close-to-native state. Current ...

Cryo-Electron Tomography Remote Data Collection and Subtomogram Averaging

Cryo-electron tomography (cryo-ET) has been gaining momentum in recent years, especially since the introduction of direct electron detectors, improved automated acquisition strategies, preparative techniques that expand the possibilities of what the electron microscope can image at high-resolution using cryo-ET and new subtomogram averaging software. Additionally, data acquisition has become increasingly streamlined, making it more accessible to many users. The SARS-CoV-2 pandemic has further accelerated remote cryo-electron microscopy (cryo-EM) data collection, especially for single-particle cryo-EM, in many facilities globally, providing uninterrupted user access to state-of-the-art instruments during the pandemic. With the recent advances in Tomo5 (software for 3D electron tomography), remote cryo-ET data collection has become robust and easy to handle from anywhere in the world. This article aims to provide a detailed walk-through, starting from the data collection setup in the tomography software for the process of a (remote) cryo-ET data collection session with detailed troubleshooting. The (remote) data collection protocol is further complemented with the workflow for structure determination at near-atomic resolution by subtomogram averaging with emClarity, using apoferritin as an example.

The present protocol describes high-resolution cryo-electron tomography remote data acquisition using Tomo5 and subsequent data processing and subtomogram averaging using emClarity. Apoferritin is used as an example to illustrate detailed step-by-step processes to achieve a cryo-ET structure at 2.86 &#197; resolution.

التصوير المقطعي بالتبريد الإلكتروني جمع البيانات عن بعد ومتوسط التصوير المقطعي الفرعي

Cryo-electron tomography (cryo-ET) has been gaining momentum in recent years, especially since the introduction of direct electron detectors, improved ...

Visualization of Organelles In Situ by Cryo-STEM Tomography

Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) relies on the imaging of biological or organic specimens embedded in their native aqueous medium; water is solidified into a glass (i.e., vitrified) without crystallization. The cryo-EM method is widely used to determine the structure of biological macromolecules recently at a near-atomic resolution. The approach has been extended to the study of organelles and cells using tomography, but the conventional mode of wide-field transmission EM imaging suffers a severe limitation in the specimen thickness. This has led to a practice of milling thin lamellae using a focused ion beam; the high resolution is obtained by subtomogram averaging from the reconstructions, but three-dimensional relations outside the remaining layer are lost. The thickness limitation can be circumvented by scanned probe imaging, similar to the scanning EM or the confocal laser scanning microscope. While scanning transmission electron microscopy (STEM) in materials science provides atomic resolution in single images, the sensitivity of cryogenic biological specimens to electron irradiation requires special considerations. This protocol presents a setup for cryo-tomography using STEM. The basic topical configuration of the microscope is described for both two- and three-condenser systems, while automation is provided by the non-commercial SerialEM software. Enhancements for batch acquisition and correlative alignment to previously-acquired fluorescence maps are also described. As an example, we show the reconstruction of a mitochondrion, pointing out the inner and outer membrane and calcium phosphate granules, as well as surrounding microtubules, actin filaments, and ribosomes. Cryo-STEM tomography excels in revealing the theater of organelles in the cytoplasm and, in some cases, even the nuclear periphery of adherent cells in culture.

Visualization of Organelles In Situ by Cryo-STEM Tomography

Cryo-STEM tomography provides a means to visualize organelles of intact cells without embedding, sectioning, or other invasive preparations. The 3D resolution obtained is currently in the range of a few nanometers, with a field of view of several micrometers and an accessible thickness in the order of 1 &#181;m.