Visualizing Live Cell Physiology with High Resolution Using Phase-Contrast STEM

使用相差 STEM 以高分辨率可视化活细胞生理学

基本信息

  • 批准号:
    10224280
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 47.63万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary This proposal describes a plan to develop a method for visualizing live cell physiology with high resolution using integrated Differential Phase Contrast-Scanning Transmission Electron Microscopy (iDPC-STEM) at low dose to promote viability. Visualizing physiology demands spatial resolution with a commensurate depth-of- field on the scale of the protein machinery (3-7 nm) that drives it without concomitant damage. With the introduction of a liquid flow cell containing water in a vacuum-tight envelope made from membranes that are transparent to the electron beam, it should be possible to scrutinize biology with high-resolution under physiological conditions with STEM. This proposal focuses on three specific technical challenges, testing solutions in a crucible of well characterized biological systems: 1. Improve resolution using a liquid flow cell formed from ultra-thin membranes and thin spacers. To reduce scattering in the membrane and liquid, it is practical to shrink the silicon nitride (SiN) membranes forming the liquid cell to 8-10 nm, and space them 150 nm apart without compromising the window integrity. To eliminate bulging in a liquid cell loaded with fluid, the windows will be reinforced with thick ribs so that a large >400 m2 area can be spanned. However, even 10 nm SiN membranes are still too thick for high-resolution imaging. So, (3 nm) thin amorphous silicon (a-Si) and atomically thin graphene or h-BN membranes spanning ribs formed from SiN will be used as windows for high-resolution imaging. The resolution will be tested using a Titan STEM by visualizing adenosine triphosphate (ATP) and fluorescent streptavidin (STR). 2. Improve contrast with iDPC-STEM imaging. To increase the visibility of transparent biological samples, a phase-contrast method for imaging, iDPC-STEM, will be adopted that uses a four-quadrant (segmented) split- detector to measure the gradient of a phase object. iDPC-STEM boasts a higher signal to noise ratio compared to conventional STEM, which offers the possibility for extremely low-dose imaging. The resolution, contrast and concomitant damage will be tested in an aberration-corrected, iDPC-equipped Themis Z (with 60 pm resolution) by visualizing ATP and fluorescent STR in thin (0-50 nm thick) liquid layers. 3. Finally, low-dose iDPC-STEM will be used with an ultra-thin liquid flow cell to visualize the smallest prokaryotic cells. If the electron probe interacts with a cell at the top membrane in the liquid cell, high- resolution images may be captured this way. Because the probe is so shallow along the optic-axis, a focus series may also be used to section a cell for 3D tomography. To test these ideas, four strains of Mycoplasma (100 nm in size) will be cultured in a shallow (150 nm) flow cell and visualized with iDPC-STEM to discover the role their nanostructure plays in infection. In specimens this thick, multi-slice simulations may be required to inform on the structure. After exposure to the beam, a LIVE/DEAD assay, along with Mycoplasma transformed with plasmids that produce an inducible fluorescent reporter will be used to score viability.
项目概要 该提案描述了开发一种高分辨率可视化活细胞生理学方法的计划 使用集成微分相衬扫描透射电子显微镜 (iDPC-STEM) 在低 促进活力的剂量可视化需要具有相应深度的空间分辨率。 蛋白质机器规模(3-7 nm)的领域驱动它而不伴随损坏。 引入液体流通池,该液体流通池包含真空密封的水封套,该水封套由膜制成 对电子束透明,应该可以在高分辨率下检查生物学 STEM 的生理条件该提案重点关注三个具体的技术挑战:测试。 具有良好特征的生物系统的坩埚中的解决方案: 1. 使用由超薄膜和薄垫片形成的液体流通池提高分辨率。 减少膜和液体中的散射,缩小氮化硅(SiN)膜是实用的 将液体单元形成为 8-10 nm,并将它们间隔 150 nm,而不会影响窗口的完整性。 为了消除装有液体的液体单元中的膨胀,窗户将用厚肋加固,以便大 可以跨越 >400 μm2 的面积,但是,即使是 10 nm SiN 膜对于高分辨率来说仍然太厚。 因此,(3 nm)薄非晶硅(a-Si)和原子薄石墨烯或 h-BN 膜跨越。 由 SiN 形成的肋将用作高分辨率成像的窗口。分辨率将使用 Titan STEM 通过可视化三磷酸腺苷 (ATP) 和荧光链霉亲和素 (STR)。 2. 提高 iDPC-STEM 成像的对比度 为了提高透明生物样品的可见度。 将采用相衬成像方法 iDPC-STEM,该方法使用四象限(分段)分裂 相比之下,iDPC-STEM 具有更高的信噪比。 与传统的 STEM 相比,后者提供了极低剂量成像的可能性。 伴随的损坏将在像差校正、配备 iDPC 的 Themis Z 中进行测试(下午 60 点) 分辨率),通过可视化薄(0-50 nm 厚)液体层中的 ATP 和荧光 STR。 3. 最后,低剂量 iDPC-STEM 将与超薄液体流动池一起使用,以可视化最小的 如果电子探针与液体细胞顶部膜上的细胞相互作用,则高- 由于探头沿光轴的距离很浅,因此可以通过这种方式捕获分辨率图像。 系列也可用于对细胞进行 3D 断层扫描。为了测试这些想法,四种支原体菌株。 (大小为 100 nm)将在浅层(150 nm)流动池中培养,并使用 iDPC-STEM 进行可视化以发现 在样本中,可能需要这种厚的、多切片的模拟来了解它们的纳米结构在感染中的作用。 暴露于光束后,进行活/死测定,以及支原体转化。 产生可诱导荧光报告基因的质粒将用于对活力进行评分。

项目成果

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