Kryogen-elektronmikroskopi (cryo-EM) har varit en spelväxlare inom medicinsk forskning, men underlaget, används för att frysa och se prover under ett mikroskop, har inte utvecklats särskilt mycket på decennier. Nu, tack vare ett samarbete mellan Penn State -forskare och det tillämpade vetenskapliga företaget Protochips, Inc., så är det inte längre.

"Den traditionella typen av nät har inte förändrats mycket sedan starten av cryo-EM, medan materialvetenskap har förändrats enormt, "sa Deb Kelly, professor i biomedicinsk teknik vid Penn State och chef för Center for Structural Oncology (CSO). "Vårt lag, tillsammans med andra kollegor på området, hade tanken att prova nya material som ett sätt att förbättra dagens metoder. "

Problem med traditionella kolnät med hål inkluderar ojämna ytor när is bildas över nätet, vilket kräver justering av bildrutiner många gånger; nätmaterialet expanderar vid olika termiska hastigheter; och misslyckande av proverna att hitta in i ruthålen, slösar bort vad som ofta är begränsade prover.

"Att bara behöva ställa in inledande fokusparametrar sparar enormt mycket tid under datainsamling, "säger Cameron Varano, forskningsassistent professor i CSO och medledande författare om en ny uppsats som just publicerats online i tidskriften Små . "Protochips -substraten är gjorda av kiselnitrid, ett styvare material än kolgallren, vilket gör dem mindre benägna att ha lokala missbildningar. Och brunnarna i chipsen kan anpassas för olika istjocklekar och applikationer. "

Med de nya substraten, kallas Cryo-Chips, forskarna har potential att få all sin data om proverna på så lite som en timme, i motsats till vad som för närvarande skulle ta dagar.

"Detta stora tekniska framsteg gör att vi kan hantera mer utmanande frågor, "Varano säger." Det förvandlar cryo-EM från en konst till en vetenskap. "

I deras papper, "Cryo-EM-on-a-Chip:Specialdesignade substrat för 3D-analys av makromolekyler, "forskarna valde tre fallstudier för vilka denna typ av avbildning kan vara användbar. Den första studien var en jämförelse av kolnätet med hål och Cryo-Chip med rotaviruspartiklar, en standardmodell i cryo-EM-studier på grund av dess stora storlek och symmetriska form. De såg ökad kontrast med Cryo-Chip-substratet, samt mer provhållning i de anpassade brunnarna.

Den andra studien, med mycket mindre och asymmetriska BRCA1 -proteinsammansättningar isolerade från bröstcancerceller, visade också förbättrad kontrast med starkare kantgränser, vilket gör dem till mycket bättre kandidater för automatiserade bildbehandlingsrutiner.

"För vårt tredje exempel, vi bestämde oss för att titta på något mer okänt, och det härrör från en annan typ av cancer, P53, från hjärncancerceller, "Kelly säger." P53 är den mest muterade molekylen i nästan alla cancerformer i hela kroppen. Ändå har ingen sammanställt hur dess fulla 3D-struktur ser ut vid cancer. Med vårt nya mikrochip -tillvägagångssätt, vi kunde se funktioner i dessa viktiga p53 -församlingar som ger denna cancer en fördel för överlevnad. "

Kelly och Varano, som båda nyligen flyttade till Penn State från Virginia Tech, hoppas kunna ta dessa biomedicinskt viktiga prover till nästa nivå som en del av uppdraget för det nya CSO, del av Huck Institutes of Life Sciences.

"Med det nybyggda mikroskopet på University Park campus och Cryo-Chip-verktygen i handen, vi förväntar oss att överföra vårt bildarbete från hög genomströmning till intelligent genomströmning, "Kelly säger." Det som är riktigt trevligt med vårt samarbete med Protochips är att det betonar företaget/det akademiska partnerskapet. På det sättet, vi kan alla växa tillsammans. "

Medförfattare Nick Alden, var Kellys doktorand vid Virginia Tech, och han kommer att gå med på doktorandprogrammet i biomedicinsk teknik vid Penn State i höst. Andra författare inkluderar William Dearnaley och Maria Solares från Penn State; Yanping Liang och Zhi Sheng, av Virginia Tech; Sarah McDonald från Wake Forest University; och John Damiano, Jennifer McConnell och Madeline Dukes från Protochips, Inc. William Luqiu, en examen senior vid Roanoke Valley Governor's School for Science and Technology, deltog också i datorns aspekter av forskningen.