Einsparung von Energie machen könnte cryoEM Mikroskope erschwinglich für viele Labors weltweit

Electron cryomicroscopy (cryoEM)—gewann 2017 Nobelpreis—gemacht werden könnte 10 mal billiger durch die Verringerung der Energie des Mikroskops und der Schaffung von besseren Detektoren für die Bildgebung niederenergetischer Elektronen, laut einer proof-of-Concept-demonstration, die Wissenschaftler am MRC Laboratory of Molecular Biology (MRC-LMB).

Wollen Sie slash die Kosten für den Betrieb cryoEM leichter zugänglich zu machen, um Wissenschaftler auf der ganzen Welt, so dass Sie bestimmen können, welche Strukturen für viele weitere Proteine, die wichtig sind für das Verständnis der Biologie und der Verbesserung der menschlichen Gesundheit.

Die Entwicklung der cryoEM—in die MRC-LMB Wissenschaftler hatte eine führende Rolle, vor allem Dr. Richard Henderson, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde für dieses Werk—hat sich dramatisch verbessert die Qualität und Vielfalt der biologischen Strukturen, die aufgedeckt werden kann.

Das Verfahren ist jedoch noch sehr kostspielig eingerichtet und betrieben, die Wissenschaftler sagen, dass high-end-cryoEM-Anlagen können Kosten £5 Millionen-setup mit Laufenden Kosten einschließlich der Verwaltung im Bereich von £250,000 pro Jahr, setzen Sie es außerhalb der Reichweite von vielen Labors, die potenziell profitieren, mit dem Mikroskope zu untersuchen, Probleme in der Biologie und Medizin.

Dr. Christopher Russo vom MRC Laboratory of Molecular Biology, wer führte diese Forschung, sagte: „Unser Ziel ist es, cryoEM jedem Labor, die es braucht—so dass eine schnelle und einfache Bestimmung der Struktur eines gereinigten biologischen Moleküls von Interesse, werden weithin verfügbar für Wissenschaftler weltweit.

„Die eigentliche überraschung ist hier, dass die Absenkung der Energie des Elektronenstrahls nicht nur macht das Gerät billiger, aber wird wahrscheinlich machen es besser als gut. Es ist eine seltene win-win, dass die Physik bestimmt einen Weg, um Dinge zu machen, billiger und besser zur gleichen Zeit.“

In der neuen Studie, die Energie des Strahls von Elektronen feuerte auf die Probe verringert wurde dem aktuellen standard von 200 oder 300 tausend elektronenvolt (keV) um 100 keV.

Leider sind die aktuellen Detektoren nicht gut tun, in diesen niederen Energien, so dass das team demonstriert einen neuen Weg, um eine andere Art von Detektor, genannt „hybrid-pixel-Detektor,“ erstellen Sie exakte images von Proteinen.

In der Woche, dass der Prototyp Mikroskop ausgeführt wurde, waren Sie in der Lage zu Bild fünf Exemplaren (für die Strukturen wurden bisher ermittelt): hepatitis-B-virus-capsid -, bakterielle 70S-Ribosom, Katalase, DNA protection during starvation protein und Hämoglobin. Aus diesen Daten konnten Sie feststellen, 3-D-Strukturen für jedes der Proteine.

Dr. Russo fügte hinzu: „Das Niveau der resolution war kein Weltrekord, wurde aber so gut wie mehr als 90% der Strukturen bestimmt, die auf alle high-end-cryoEM-Mikroskope im letzten Jahr. Der Schlüssel ist, um genügend Details erkennen zu bauen, gute molekulare Modelle und wir haben gezeigt, dass hier.“

Durch den Vergleich, vor der Entwicklung der modernen cryoEM, die Bestimmung der Struktur des hepatitis-B-virus-capsid-nahm MRC LMB Wissenschaftler mehr als ein Jahr und die erste Struktur von Hämoglobin dauerte viele Jahre und war ein wichtiger Meilenstein in der Biologie.

Der Detektor verwendet durch die LMB-team in diesem neuen unteren-Energie cryoEM Mikroskop war nicht Zweck-gebaut—es wurde 32-mal kleiner als die derzeit verwendeten Hochenergie-Detektoren; die Wissenschaftler sagen, dass ein größerer Detektor optimiert für das arbeiten in der 100 keV erstellt werden müssen. Dies wird mehrere Jahre dauern, und Projekte sind nun im Gange, um größere, schnellere und billigere Kameras, die speziell für 100 keV Elektronen.

Dr. Russo sagte: „Noch mehr Arbeit getan werden muss, um diese Labor-Prototypen zu einem kommerziellen Mikroskop, dass alle Biologie-Labor kaufen kann. Die wichtigste Einschränkung ist jetzt die Detektor—Prototyp verwendet eine kleine Kamera, die ähnlich ist in der pixel-Anzahl zu einem frühen Handy Kamera. Wir haben gezeigt, das Potenzial, aber wir müssen uns jetzt größer, schneller und leistungsfähiger Elektronen-Kameras für diesen wirklich abheben—ähnlich wie bei den modernen Handy-Kameras heute. Basierend auf dieser Arbeit, mehrere Firmen und Arbeitsgruppen arbeiten nun an diesem Ziel, und hoffentlich in ein paar Jahren wird diese Technologie ist allgemein verfügbar, als Teil einer einfachen Billig-Mikroskop, das jeder Biologie-Labor wird in der Lage sein, das zu leisten.“

Die Wissenschaftler sagen, dass ein neues Mikroskop entwickelt, auf diese Weise könnte es der Maschine ermöglichen, werden beide viel kleiner, einfacher und 10 mal billiger zu laufen, während immer noch die Bereitstellung der detail erforderlich, um die Untersuchung der molekularen Struktur der Proteine.

Eine weitere aktuelle Studie von Forschern an der MRC-LMB auch gezeigt, dass die niedrigeren elektronenenergien könnte zur Verbesserung der Qualität der Bilder, die über die standard -, high energy-Instrumente, die heute verwendet werden.