La microscopia criogenica elettronica (crio-EM) è stata un punto di svolta nel campo della ricerca medica, ma il substrato utilizzato per congelare e visualizzare i campioni al microscopio, non è avanzato molto da decenni. Ora, grazie a una collaborazione tra i ricercatori della Penn State e l'azienda di scienze applicate Protochips, Inc., questo non è più il caso.

"Il tipo tradizionale di griglia non è cambiato molto dall'inizio della crio-EM, mentre la scienza dei materiali è cambiata enormemente, " ha detto Deb Kelly, professore di ingegneria biomedica alla Penn State e direttore del Center for Structural Oncology (CSO). "La nostra squadra, insieme ad altri colleghi del settore, ha avuto l'idea di provare nuovi materiali come mezzo per migliorare le pratiche attuali."

I problemi con le tradizionali griglie in carbonio con fori includono superfici irregolari quando il ghiaccio si forma attraverso la griglia, che richiede la regolazione delle routine di imaging molte volte; i materiali della griglia si espandono a velocità termiche differenti; e l'incapacità dei campioni di trovare la loro strada nei fori della griglia, sprecare campioni spesso limitati.

"Solo dover impostare i parametri di messa a fuoco iniziali consente di risparmiare un'enorme quantità di tempo durante l'acquisizione dei dati, " dice Cameron Varano, professore assistente di ricerca presso la CSO e co-autore di un nuovo articolo appena pubblicato online sulla rivista Piccolo . "I substrati Protochips sono realizzati in nitruro di silicio, un materiale più rigido delle griglie in carbonio, che li rende meno inclini ad avere deformità locali. E i pozzetti nei trucioli possono essere personalizzati per vari spessori di ghiaccio e applicazioni".

Con i nuovi supporti, chiamato Cryo-Chips, i ricercatori hanno il potenziale per ottenere tutti i loro dati sui campioni in meno di un'ora, al contrario di ciò che attualmente richiederebbe giorni.

"Questo importante progresso tecnico ci consente di affrontare domande più impegnative, "Dice Varano. "Si sta trasformando la crio-EM da un'arte in una scienza."

Nella loro carta, "Cryo-EM-on-a-Chip:substrati progettati su misura per l'analisi 3-D di macromolecole, " i ricercatori hanno scelto tre casi di studio per i quali questo tipo di imaging potrebbe essere utile. Il primo studio è stato un confronto tra la griglia di carbonio con fori e il Cryo-Chip utilizzando particelle di rotavirus, un modello standard negli studi cryo-EM a causa delle sue grandi dimensioni e forma simmetrica. Hanno visto un contrasto maggiore con il substrato Cryo-Chip, oltre a una maggiore ritenzione del campione nei pozzetti personalizzati.

Il secondo studio, utilizzando gruppi proteici BRCA1 molto più piccoli e asimmetrici isolati da cellule di cancro al seno, ha anche mostrato un contrasto migliorato con bordi dei bordi più forti, rendendoli candidati molto migliori per le routine di elaborazione delle immagini automatizzate.

"Per il nostro terzo esempio, abbiamo deciso di guardare qualcosa di più sconosciuto, e questo deriva da un altro tipo di cancro, P53, dalle cellule tumorali del cervello, " Kelly dice. "P53 è la molecola più mutata in quasi tutti i tumori in tutto il corpo. Eppure nessuno ha messo insieme come appare la sua struttura 3D completa nel cancro. Utilizzando il nostro nuovo approccio a microchip, siamo stati in grado di vedere caratteristiche in questi importanti gruppi di p53 che danno a questo cancro un vantaggio per la sopravvivenza".

Kelly e Varano, che si sono entrambi trasferiti di recente a Penn State dalla Virginia Tech, sperano di portare questi campioni importanti dal punto di vista biomedico al livello successivo come parte della missione per il nuovo CSO, parte degli Huck Institutes of the Life Sciences.

"Con il microscopio di nuova costruzione nel campus dell'University Park e gli strumenti Cryo-Chip in mano, prevediamo di trasferire il nostro lavoro di imaging da un rendimento elevato a un rendimento intelligente, " Dice Kelly. "La cosa veramente bella della nostra collaborazione con Protochips è che enfatizza la partnership azienda/accademico. In quel modo, possiamo crescere tutti insieme".

Il co-autore Nick Alden, era lo studente laureato di Kelly alla Virginia Tech, e si unirà al programma di dottorato in ingegneria biomedica alla Penn State questo autunno. Altri autori includono William Dearnaley e Maria Solares di Penn State; Yanping Liang e Zhi Sheng, della Virginia Tech; Sarah McDonald della Wake Forest University; e Giovanni Damiano, Jennifer McConnell e Madeline Dukes di Protochips, Inc. William Luqiu, un laureando presso la Scuola del Governatore di Roanoke Valley per la scienza e la tecnologia, ha anche preso parte agli aspetti informatici della ricerca.