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生物成像中心成功研发大尺度生物样品电镜三维重构 新技术——AutoCUTS-SEM

发布者:中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台 时间:2017年10月11日
  2017年10月1日,Journal of Structural Biology 杂志在线发表了中科院生物物理所蛋白质科学研究平台生物成像中心(以下简称“成像中心”)的研究论文“Large scale three-dimensional reconstruction of an entire Caenorhabditis elegans larva using AutoCUTS-SEM”,该文详细阐述了成像中心自主开发的连续超薄切片扫描电镜成像(automatic collector of ultrathin sections scanning electron microscopy,AutoCUTS-SEM)这种大尺度生物样品电镜三维重构新技术,并通过该技术首次构建了一套秀丽隐杆线虫幼虫的三维高分辨率结构数据库(轴向分辨率达100nm,横向分辨率达15nm)(http://cbi.ibp.ac.cn/shared-resources/autocuts-sem)。
随着对细胞生物学、神经生物学的深入研究,人们越来越需要获得大尺度生物样品的三维结构信息,而这方面的研究离不开体电子显微学技术的发展。目前体电子显微学技术主要包括:基于透射电镜成像的连续超薄切片(ssTEM)和连续切片断层成像(ssET)两种策略;基于扫描电镜成像的系列块表面(SBF-SEM)、原位聚焦离子束切割(FIB-SEM),以及最新的自动化带式收集超薄切片(ATUM-SEM)三种策略。其中,ATUM-SEM的最大优势在于:样品可保存,可重复成像,从而使珍贵的样品可以像图书馆里的图书一样被反复“查阅”,科研人员可针对感兴趣的区域进行分次研究,从而提高了采集效率和灵活性。同时它还能多台SEM并行成像,真正实现高通量数据采集。
成像中心自行研发的连续超薄切片自动收集器(AutoCUTS),较之于商业化的AUTM,体积更为小巧灵活、操作简单、对环境(特别是外界振动)具备更好的耐受性,该收集器目前已授权镇江乐华电子科技有限公司进行市场销售。在此基础上,该研究还探索了利用高压冷冻/冷冻替代方法制备适合连续切片的高质量线虫样品,并对市面上的多种收集带的选择和预处理方法进行了详细地比较和探索。最终,研究人员利用AutoCUTS成功收集了大约2140张连续切片,建立了整条线虫幼虫的连续切片库,并利用自行开发的程序和脚本(http://cbi.ibp.ac.cn/shared-resources/autocuts-sem)完成了高质量的SEM 图像采集,与中科院自动化所韩华课题组合作完成了数据处理和重构。该研究不仅为相关领域研究者们提供了一种大尺度电镜三维重构新方法,可用于解决毫米级生物样品的三维重构、捕捉体内小概率事件等科学问题,特别是对于脑科学、神经连接组学、细胞发育、衰老等方面的研究具有重要作用,同时开源的线虫幼虫三维结构数据库也有助于研究者挖掘更多感兴趣的信息。

孙飞研究员与季刚正高级工程师为文本的共同通讯作者,生物成像中心的李喜霞高级工程师和季刚正高级工程师为本文的共同第一作者。该课题获得国家重大科学仪器设备开发专项、国家自然科学基金、中科院仪器设备功能开发技术创新项目的支持。同时,李喜霞在成像中心做博士后完成该课题期间还获得了中科院生物物理所徕卡仪器有限公司联合实验室基金的资助。


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