低温电磁材料的研究进展有助于癌症和生物医学研究

低温电子显微镜（cryo em）已经成为医学研究领域的一个游戏规则改变者，但是用于在显微镜下冷冻和查看样品的基质在几十年来并没有进步太多。现在，多亏了宾夕法尼亚州立大学研究人员和应用科学公司Protochips，Inc.的合作，情况不再是这样了。

描述：凯利实验室与Protochips，Inc.合作，开发了新的定制基板（Cryo ChipsTM），用于低温电子显微镜。这些底物使人类癌症中形成的突变蛋白的结构研究成为可能。低温芯片可以广泛应用于材料和生命科学领域。图片：Deb Kelly/Penn State

宾夕法尼亚州立大学生物医学工程教授、结构肿瘤学中心（CSO）主任Deb Kelly说：“传统的网格形式自低温电磁法诞生以来没有太大的变化，而材料科学却发生了巨大的变化。”我们的团队和该领域的其他同事都有尝试新材料的想法，以改进当前的实践。”

传统的带孔碳网格存在的问题包括：当冰在网格上形成时，表面不均匀，这需要多次调整成像程序；网格材料以不同的热速率膨胀；样本无法进入网格孔，浪费了通常有限的样本。

“只需设置初始焦点参数就可以在数据采集过程中节省大量的时间，”CSO的研究助理教授、一篇新论文的共同主要作者Cameron Varano说，该论文刚刚在《小杂志》在线发表。原芯片的基片是由氮化硅制成的，氮化硅是一种比碳栅更坚硬的材料，这使得它们不太容易发生局部变形。芯片中的井可以根据不同的冰层厚度和应用进行定制。”

对于新的基板，也就是冷冻芯片，研究人员有可能在一小时内获得所有样本的数据，而不是目前需要几天的时间。

瓦拉诺说：“这一重大技术进步使我们能够解决更具挑战性的问题。”它正在把冷冻技术从一门艺术变成一门科学。”

在他们的论文“CRYO-EM-ON-A-CHIP：为大分子的3D分析而定制的基质”中，研究人员选择了三个案例研究，这类成像可能会有用。第一个研究是用轮状病毒颗粒比较带孔碳栅和冷冻芯片，这是冷冻EM研究中的一个标准模型，因为它的尺寸大，形状对称。他们看到了与冷冻芯片基板的对比度增强，以及更多的样本保留在定制的井中。

第二项研究使用了从乳腺癌细胞中分离出来的更小、不对称的BRCA1蛋白组件，也显示出与更强边缘边界的对比度增强，使它们更适合自动成像处理程序。

凯利说：“对于我们的第三个例子，我们决定研究一些更未知的东西，这些东西来自另一种癌症，p53，来自脑癌细胞。”p53是人体内几乎所有癌症中突变最多的分子。然而，还没有人把它在癌症中的全三维结构组合起来。使用我们的新微芯片方法，我们能够看到这些重要的p53组件中的特征，使这种癌症有利于生存。”

凯利和瓦拉诺最近都从维吉尼亚理工大学搬到了宾夕法尼亚州，他们希望把这些生物生物学上重要的样本带到下一个层次，作为哈克生命科学研究所的新CSO任务的一部分。

凯利说：“在大学园区新建的显微镜和低温芯片工具的帮助下，我们希望将成像工作从高吞吐量过渡到智能吞吐量。”我们与ProtoChips合作的真正好处是它强调了公司/学术合作关系。这样，我们就可以一起成长。”

合著者尼克·奥尔登是凯利在弗吉尼亚理工大学的研究生，他将于今年秋天加入宾夕法尼亚州立大学生物医学工程博士项目。其他作者包括宾夕法尼亚州的威廉·迪尔纳利（William Dearnaley）和玛丽亚·索拉雷斯（Maria Solares）；弗吉尼亚理工大学的梁艳萍（Yanping Liang）和智生（Zhi Sheng）；威克森林大学的莎拉·麦克唐纳（Sarah McDonald）；以及普洛蒂奇公司的约翰·达米亚诺（John Damiano）、詹妮弗·麦康奈尔（Jennifer McConnell）和马德琳·杜克（Madeline Dukes好的，参与计算方面的研究。

国家卫生研究院和国家癌症研究所支持这项工作。弗吉尼亚大学弗吉尼亚理工大学弗吉尼亚理工大学种子基金奖和卡特里奇慈善基金会提供了额外的支持。

由：Walt Mills