La microscopie cryogénique électronique (cryo-EM) a changé la donne dans le domaine de la recherche médicale, mais le substrat, utilisé pour congeler et visualiser des échantillons au microscope, n'a pas beaucoup progressé depuis des décennies. Maintenant, grâce à une collaboration entre des chercheurs de Penn State et la société de sciences appliquées Protochips, Inc., Ce n'est plus le cas.

"Le type de grille traditionnel n'a pas beaucoup changé depuis la création de cryo-EM, alors que la science des matériaux a considérablement changé, " a déclaré Deb Kelly, professeur de génie biomédical à Penn State et directeur du Center for Structural Oncology (CSO). "Notre équipe, avec d'autres collègues sur le terrain, eu l'idée d'essayer de nouveaux matériaux comme moyen d'améliorer les pratiques actuelles."

Les problèmes avec les grilles de carbone traditionnelles avec des trous comprennent des surfaces inégales lorsque la glace se forme à travers la grille, ce qui nécessite d'ajuster plusieurs fois les routines d'imagerie ; les matériaux de la grille se dilatent à des vitesses thermiques différentes ; et l'incapacité des spécimens à se frayer un chemin dans les trous de la grille, gaspiller ce qui est souvent des échantillons limités.

« Se contenter de définir les paramètres de mise au point initiaux permet de gagner un temps considérable lors de l'acquisition des données, " dit Cameron Varano, professeur assistant de recherche au CSO et co-auteur principal d'un nouvel article qui vient d'être publié en ligne dans la revue Petit . "Les substrats Protochips sont en nitrure de silicium, un matériau plus rigide que les grilles en carbone, ce qui les rend moins susceptibles d'avoir des déformations locales. Et les puits dans les copeaux peuvent être personnalisés pour différentes épaisseurs de glace et applications."

Avec les nouveaux substrats, appelé Cryo-Chips, les chercheurs ont le potentiel d'obtenir toutes leurs données sur les échantillons en aussi peu qu'une heure, contrairement à ce qui prendrait actuellement des jours.

"Cette avancée technique majeure nous permet d'aborder des questions plus difficiles, " dit Varano. "C'est en train de transformer la cryo-EM d'un art en une science."

Dans leur papier, "Cryo-EM-on-a-Chip :Substrats conçus sur mesure pour l'analyse 3D de macromolécules, " les chercheurs ont choisi trois études de cas pour lesquelles ce type d'imagerie pourrait être utile. La première étude était une comparaison de la grille de carbone à trous et de la Cryo-Chip utilisant des particules de rotavirus, un modèle standard dans les études cryo-EM en raison de sa grande taille et de sa forme symétrique. Ils ont vu un contraste accru avec le substrat Cryo-Chip, ainsi qu'une plus grande rétention des échantillons dans les puits personnalisés.

La deuxième étude, en utilisant des assemblages de protéines BRCA1 beaucoup plus petits et asymétriques isolés de cellules cancéreuses du sein, a également montré un contraste accru avec des limites de bord plus fortes, ce qui en fait de bien meilleurs candidats pour les routines de traitement d'imagerie automatisées.

"Pour notre troisième exemple, nous avons décidé de regarder quelque chose de plus inconnu, et qui est dérivé d'un autre type de cancer, P53, à partir de cellules cancéreuses du cerveau, " dit Kelly. " P53 est la molécule la plus mutée dans presque tous les cancers dans le corps. Pourtant, personne n'a déterminé à quoi ressemble sa structure 3D complète dans le cancer. En utilisant notre nouvelle approche de micropuce, nous avons pu voir des caractéristiques dans ces assemblages importants de p53 qui donnent à ce cancer un avantage pour la survie."

Kelly et Varano, qui ont tous deux récemment déménagé à Penn State de Virginia Tech, espèrent faire passer ces échantillons importants sur le plan biomédical au niveau supérieur dans le cadre de la mission du nouveau CSO, partie des Huck Institutes of the Life Sciences.

"Avec le microscope nouvellement construit sur le campus de University Park et les outils Cryo-Chip en main, nous prévoyons de faire passer notre travail d'imagerie d'un débit élevé à un débit intelligent, " dit Kelly. " Ce qui est vraiment bien dans notre collaboration avec Protochips, c'est qu'elle met l'accent sur le partenariat entreprise/universitaire. De cette façon, nous pouvons tous grandir ensemble."

Co-auteur principal Nick Alden, était l'étudiant diplômé de Kelly à Virginia Tech, et il rejoindra le programme de doctorat en génie biomédical à Penn State cet automne. D'autres auteurs incluent William Dearnaley et Maria Solares de Penn State; Yanping Liang et Zhi Sheng, de Virginia Tech; Sarah McDonald de l'Université Wake Forest; et Jean Damiano, Jennifer McConnell et Madeline Dukes de Protochips, Inc. William Luqiu, diplômé de la Roanoke Valley Governor's School for Science and Technology, ont également participé aux aspects informatiques de la recherche.