크라이오

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9930(2022) 이 기사 인용

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극저온 전자현미경은 생물학적 물체를 연구하는 강력한 도구가 되었습니다. 비생물학적 물체(용액, 젤, 분산액, 점토)의 경우 극저온 현미경 결과의 해석에 대한 논쟁은 두 가지 모순된 경향으로 나누어 여전히 진행 중입니다. 구조를 샘플의 거의 실제 상태로 간주하거나 동결 가공물로 간주하는 것입니다. 본 연구에서는 저온 고정 구조와 냉동되지 않은 구조를 비교하기 위해 다양한 안정한 수용액 및 분산액(한천, 카올린, 몬모릴로나이트, 나노입자)의 미세 구조를 저온 SEM 및 공초점 LSM을 통해 조사했습니다. 연구된 시스템(한천, 카올린, 몬모릴로나이트, NP)에 대한 이 두 가지 방법 사이의 상관관계는 정렬된 미세 구조가 이러한 시스템의 고유한 특징임을 명시할 수 있게 했습니다. 미세 구조 치수의 일부 불일치가 논의되었으며 벌크 층과 인터페이스 층의 차이에 대해 규정되었습니다. 아마도 NaCl 용액은 전해질의 비정상적인 특성에 영향을 줄 수 있는 순수 물 클러스터와 용매화된 Na+ 및 Cl- 이온의 동적(펨토초 수준) 미세 구조를 보유하고 있는 것으로 추정됩니다.

30여년 전 극저온전자현미경(cryo-EM)이 발견된 이후 이 분야에서는 많은 데이터가 축적되어 왔다1,2. 이 이미징 기술을 사용하면 되돌릴 수 없는 구조 변형을 유발하는 건조 없이 원래의 수성 환경에서 마이크로 및 나노 규모의 표본을 관찰할 수 있습니다. 극저온 물질, 즉 극저온 고정에 의한 물의 응고로 인해 관찰이 가능해집니다. 후자는 이 기술에서 중요한 단계입니다. 초고속 동결은 원래 구조를 그대로 유지하면서 얼음 결정 성장을 방지합니다. 극저온 고정은 일반적으로 표본을 극저온제(질소 슬러시, 프로판, 에탄 등)에 넣은 후 파쇄(시편의 내부 구조 관찰) 및 승화(즉, 얼음 에칭)를 통해 이루어집니다. 물층이 없는 구조를 관찰한다. 오늘날, 극저온-EM(cryo-EM) 기술은 생물학적 대상을 연구하는 강력한 도구가 되었습니다. 극저온 고정 상태와 비동결 상태의 미세 구조 사이의 일치성에 대한 오랜 논의는 극저온-EM 결과가 밀도가 높은 구조 요소(골격, 막 등)의 일부에서 생물학적 표본의 거의 실제 상태를 반영한다는 합의에 의해 완료되었습니다. )1,2. 합의는 서로 다른 이미징 기술 간의 상관관계를 보여주는 축적된 데이터를 기반으로 이루어졌습니다. 액체 및 젤 같은 생물학적 구성 요소(점액, 세포간 및 세포외 액체 등)에 대해서는 저밀도 구조(낮은 대비, 이동성 등)를 시각화하는 데 어려움이 있을 수 있다는 의문이 여전히 남아 있습니다. . 이 문제를 해결하는 방법 중 하나는 원래 상태에 가까운 조건에서 젖은 샘플을 고해상도로 관찰할 수 있는 기술을 개발하는 것입니다. 이러한 방향으로 도립형 주사전자현미경(분리형 개방형 배양 접시 포함)과 형광현미경을 결합한 새로운 대기 SEM(ASEM)의 개발이 보고되었습니다3. ASEM을 사용하면 대기압에서 수용액(전자 투과성 SiN 필름에 캡슐화됨)에 담긴 시료의 상단과 하단에서 동일한 영역을 준동시적으로 관찰할 수 있습니다. 이 기술을 사용하여 신경 연결, 조골세포, 소포체, 뼈 조직, 세포 내분비증 및 유사 분열이 이미지화되었습니다3,4.

생물학적 물체와 비교할 때, 비생물학적 수성 시스템(예: 용액, 분산액, 겔, 점토)은 물에서 구별되는(조밀한) 상 경계를 갖지 않으며, Cryo-EM 결과의 해석은 여전히 ​​모호하며 두 가지로 나뉩니다. 모순되는 경향. 한 가지 경향에 따르면, 극저온 고정 샘플에서 관찰된 미세 구조는 수성 결정 형성의 결과, 즉 동결 인공물5,6,7,8,9,10,11로 해석됩니다. 후자는 용해/분산된 물질이 얼음 결정 주변으로 확산되어 구조가 형성될 때 나타납니다7. 또 다른 추세에서는 극저온 고정 샘플의 미세 구조가 거의 실제 상태로 간주됩니다. 이러한 관점은 발포 파쇄 유체, 사과 유래 펙틴으로 형성된 유제, 나노입자 분산액, 광물 점토8,11,12 등에서 볼 수 있듯이 광학 또는 공초점 레이저 스캐닝 현미경(LSM) 이미지와의 상관관계에 의해 종종 뒷받침됩니다. 13,14,15. 미세 구조 차원의 차이(LSM과 극저온-EM 결과를 비교하는 경우)는 해석되지 않았으므로 혼란스럽습니다8. 극저온 고정 미세 구조에 대한 모순된 의견은 용매에 균일하게 분포된 분자/이온/입자로서 용액 및 콜로이드에 대해 일반적으로 받아들여지는 개념과 실험 결과가 일치하지 않음을 나타냅니다16. 따라서, 비생물학적 시료에 대한 극저온 현미경 관찰의 해석에 대한 논쟁은 여전히 ​​진행 중이며, 이 문제를 해결하기 위한 추가 연구가 필요합니다.