La microscopía electrónica criogénica (cryo-EM) ha cambiado las reglas del juego en el campo de la investigación médica, pero el sustrato, utilizado para congelar y ver muestras bajo un microscopio, no ha avanzado mucho en décadas. Ahora, gracias a una colaboración entre los investigadores de Penn State y la empresa de ciencia aplicada Protochips, C ª., este ya no es el caso.

"El tipo tradicional de cuadrícula no ha cambiado mucho desde el inicio de cryo-EM, mientras que la ciencia de los materiales ha cambiado enormemente, "dijo Deb Kelly, profesor de ingeniería biomédica en Penn State y director del Center for Structural Oncology (CSO). "Nuestro equipo, junto con otros colegas en el campo, tenía la idea de probar nuevos materiales como un medio para mejorar las prácticas actuales ".

Los problemas con las rejillas de carbono tradicionales con agujeros incluyen superficies irregulares cuando se forma hielo a través de la rejilla, lo que requiere ajustar las rutinas de imágenes muchas veces; los materiales de la rejilla se expanden a diferentes velocidades térmicas; y el fracaso de los especímenes para encontrar su camino en los agujeros de la rejilla, desperdiciando lo que a menudo son muestras limitadas.

"Solo tener que establecer los parámetros de enfoque iniciales ahorra una enorme cantidad de tiempo durante la adquisición de datos, "dice Cameron Varano, profesor asistente de investigación en el CSO y coautor principal de un nuevo artículo recién publicado en línea en la revista Pequeña . "Los sustratos de Protochips están hechos de nitruro de silicio, un material más rígido que las rejillas de carbono, lo que los hace menos propensos a tener deformidades locales. Y los pozos de las astillas se pueden personalizar para distintos espesores y aplicaciones de hielo ".

Con los nuevos sustratos, llamado Cryo-Chips, los investigadores tienen el potencial de obtener todos sus datos sobre las muestras en tan solo una hora, a diferencia de lo que actualmente tomaría días.

"Este importante avance técnico nos permite abordar cuestiones más desafiantes, "Dice Varano." Está convirtiendo la crio-EM de un arte a una ciencia ".

En su papel "Cryo-EM-on-a-Chip:sustratos de diseño personalizado para el análisis tridimensional de macromoléculas, “Los investigadores eligieron tres estudios de caso para los que este tipo de imágenes podría ser útil. El primer estudio fue una comparación de la rejilla de carbono con agujeros y el Cryo-Chip utilizando partículas de rotavirus, un modelo estándar en estudios crio-EM debido a su gran tamaño y forma simétrica. Vieron un contraste mejorado con el sustrato Cryo-Chip, así como una mayor retención de muestras en los pozos personalizados.

El segundo estudio, utilizando conjuntos de proteínas BRCA1 mucho más pequeños y asimétricos aislados de células de cáncer de mama, también mostró un contraste mejorado con límites de borde más fuertes, haciéndolos candidatos mucho mejores para las rutinas de procesamiento de imágenes automatizadas.

"Para nuestro tercer ejemplo, decidimos mirar algo más desconocido, y que se deriva de otro tipo de cáncer, P53, de las células cancerosas del cerebro, "Kelly dice." P53 es la molécula más mutada en casi todos los cánceres en todo el cuerpo. Sin embargo, nadie ha reunido cómo se ve su estructura tridimensional completa en el cáncer. Usando nuestro nuevo enfoque de microchip, pudimos ver características en estos importantes conjuntos de p53 que le dan a este cáncer una ventaja para la supervivencia ".

Kelly y Varano, quienes se mudaron recientemente a Penn State desde Virginia Tech, esperan llevar estas muestras de importancia biomédica al siguiente nivel como parte de la misión de la nueva OSC, parte de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida.

"Con el microscopio recién construido en el campus de University Park y las herramientas Cryo-Chip en la mano, Esperamos hacer la transición de nuestro trabajo de generación de imágenes de un alto rendimiento a un rendimiento inteligente, Kelly dice. Lo realmente bueno de nuestra colaboración con Protochips es que enfatiza la asociación entre la empresa y el académico. De ese modo, todos podemos crecer juntos ".

El coautor principal Nick Alden, era estudiante de posgrado de Kelly en Virginia Tech, y se unirá al programa de doctorado en ingeniería biomédica en Penn State este otoño. Otros autores incluyen William Dearnaley y Maria Solares de Penn State; Yanping Liang y Zhi Sheng, de Virginia Tech; Sarah McDonald de la Universidad de Wake Forest; y John Damiano, Jennifer McConnell y Madeline Dukes de Protochips, Inc. William Luqiu, un estudiante de último año que se graduó en la Escuela de Ciencia y Tecnología del Gobernador del Valle de Roanoke, también participó en los aspectos informáticos de la investigación.