A microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) foi uma virada de jogo no campo da pesquisa médica, mas o substrato, usado para congelar e visualizar amostras em um microscópio, não avançou muito nas últimas décadas. Agora, graças a uma colaboração entre pesquisadores da Penn State e a empresa de ciência aplicada Protochips, Inc., este não é mais o caso.

"O tipo tradicional de grade não mudou muito desde o início do crio-EM, enquanto a ciência dos materiais mudou muito, "disse Deb Kelly, professor de engenharia biomédica na Penn State e diretor do Center for Structural Oncology (CSO). "Nosso time, junto com outros colegas da área, teve a ideia de experimentar novos materiais como forma de melhorar as práticas atuais. "

Problemas com grades de carbono tradicionais com buracos incluem superfícies irregulares quando o gelo se forma na grade, que requer ajustes de rotinas de imagem muitas vezes; os materiais da grade expandindo em diferentes taxas térmicas; e falha dos espécimes em encontrar seu caminho para os orifícios da grade, desperdiçando o que muitas vezes são amostras limitadas.

"Apenas ter que definir os parâmetros de foco inicial economiza uma quantidade enorme de tempo durante a aquisição de dados, "diz Cameron Varano, professor assistente de pesquisa no CSO e co-autor principal em um novo artigo recém-publicado online na revista Pequena . "Os substratos Protochips são feitos de nitreto de silício, um material mais rígido do que as grades de carbono, o que os torna menos propensos a ter deformidades locais. E os poços nos cavacos podem ser personalizados para várias espessuras de gelo e aplicações. "

Com os novos substratos, chamado Cryo-Chips, os pesquisadores têm o potencial de obter todos os dados das amostras em apenas uma hora, ao contrário do que atualmente levaria dias.

"Este grande avanço técnico nos permite enfrentar questões mais desafiadoras, "Diz Varano." Está transformando o crio-EM de uma arte em uma ciência. "

Em seu jornal, "Cryo-EM-on-a-Chip:Substratos personalizados para a análise 3-D de macromoléculas, "os pesquisadores escolheram três estudos de caso para os quais este tipo de imagem poderia ser útil. O primeiro estudo foi uma comparação da grade de carbono com buracos e o Cryo-Chip usando partículas de rotavírus, um modelo padrão em estudos crio-EM devido ao seu grande tamanho e forma simétrica. Eles viram um contraste melhorado com o substrato Cryo-Chip, bem como mais retenção de espécime nos poços personalizados.

O segundo estudo, usando conjuntos de proteína BRCA1 muito menores e assimétricos isolados de células de câncer de mama, também mostrou contraste aprimorado com limites de borda mais fortes, tornando-os candidatos muito melhores para rotinas de processamento automatizado de imagens.

"Para o nosso terceiro exemplo, decidimos olhar para algo mais desconhecido, e isso é derivado de outro tipo de câncer, P53, a partir de células cancerosas do cérebro, "Kelly diz." P53 é a molécula mais mutada em quase todos os cânceres em todo o corpo. Mesmo assim, ninguém conseguiu definir como é sua estrutura 3-D completa no câncer. Usando nossa nova abordagem de microchip, pudemos ver características nesses importantes conjuntos de p53 que dão a esse câncer uma vantagem de sobrevivência. "

Kelly e Varano, que recentemente se mudaram da Virginia Tech para Penn State, esperam levar essas amostras biomedicamente importantes para o próximo nível como parte da missão para o novo CSO, parte dos Institutos Huck de Ciências da Vida.

"Com o microscópio recém-construído no campus University Park e as ferramentas Cryo-Chip em mãos, esperamos fazer a transição de nosso trabalho de imagem de alto rendimento para rendimento inteligente, "Kelly diz." O que é realmente bom sobre a nossa colaboração com Protochips é que ela enfatiza a parceria empresa / acadêmica. Dessa forma, todos nós podemos crescer juntos. "

O co-autor principal Nick Alden, foi aluno de pós-graduação de Kelly na Virginia Tech, e ele ingressará no programa de doutorado em engenharia biomédica na Penn State neste outono. Outros autores incluem William Dearnaley e Maria Solares, da Penn State; Yanping Liang e Zhi Sheng, da Virginia Tech; Sarah McDonald, da Wake Forest University; e John Damiano, Jennifer McConnell e Madeline Dukes dos Protochips, Inc. William Luqiu, formando na Escola de Ciência e Tecnologia do Governador de Roanoke Valley, também participou dos aspectos de informática da pesquisa.