一种新型喷雾装置帮助研究人员捕捉快速移动的细胞过程

细胞是生命的基本单位，但它们的许多基本过程发生得如此之快，规模如此之小，以至于当前的科学工具和方法无法跟上，阻碍了我们更深入地理解

现在，SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、康奈尔大学和其他机构的研究人员开发了一种观察基本生物过程的新方法。该方法将低温电子显微镜与X射线晶体学中开发的方法相结合，可以改进药物，并对细胞分裂、光合作用和宿主-病原体相互作用等主题有更深入的了解

他们的研究发表在《细胞分子生物学》杂志上

SLAC科学家兼论文合著者Pete Dahlberg说：“许多细胞过程都发生在毫秒的时间尺度上。”。“有了我们的新技术，我们可以戳一个细胞，然后选择一个时间点，我们想拍下它反应的清晰图像。”

来源：细胞分子生物学（2024）。DOI:10.1091/mbc。E24-01-0042

重塑强大的喷雾工具

几十年来，科学家们一直依靠低温电子显微镜（cryo-EM）和低温电子断层扫描（cryoET）等成像技术来观察细胞、蛋白质和其他生物体和分子的内部。这两种技术都使用电子显微镜捕捉快速冷冻样品的快照，这些快照以非凡的细节揭示了细胞结构

这些方法包括将样品放在一个称为电子显微镜网格的薄圆盘上，并将其放入低温液体中快速冷冻。这在将细胞样本保存在原始状态方面很好，但冷冻快照并不能告诉研究人员太多关于动力学的信息。这有点像试图通过拍摄某人跳舞的随机图像来学习舞蹈动作

目前，在类似的冷冻ET实验中，研究人员手动混合细胞样本，以拍摄它们对刺激的反应图像。但手动搅拌需要时间，有点像用手搅拌煎饼面糊，而不是用电动搅拌器，这意味着实验者只能以大约10秒的间隔观察生物体的变化&mdash；比许多重要过程所需的时间长数百倍

SLAC研究员兼论文合著者Cali Antolini说：“当你在冷冻ET实验中手动混合和冷冻细胞时，你往往太慢，无法捕捉到你真正关心的变化。这会限制你理解重要生物过程的能力。”

因此，研究人员转向了一种喷嘴装置，该装置经常用于X射线自由电子激光器（XFEL）和同步加速器设施，用于混合晶体实验的样品。该设备被称为混合注射器耦合气体动态虚拟喷嘴（GDVN），通常用于研究在极短的时间尺度上发生的分子运动，如用光激活后的飞秒，或在SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）等XFEL上使用化学混合在毫秒到秒的时间尺度

Dahlberg说：“LCLS的喷雾装置使研究人员能够观察微晶中原子的运动。”。“但在我看来，喷涂微晶样品和喷涂细胞样品是一回事。”

SLAC和斯坦福大学教授、资深合著者Soichi Wakatsuki说：“我们想尽可能地将光源和冷冻ET技术结合起来。”。“我们知道这样做将对微生物学和医学发展产生丰硕成果。”

通过他们的新方法，研究人员在几毫秒内喷洒和冷冻与兴奋剂混合的细胞样本，而不是手工混合所需的10秒。这使得研究人员能够每25毫秒拍摄一次细胞样本的图像，并看到该时间尺度上的变化

斯坦福大学研究生兼论文合著者Jacob Summers说：“我们的新方法有助于识别和表征我们在时间分辨实验过程中开始看到的细胞中一些有趣的形态学变化。”

康奈尔大学的研究人员重新设计了LCLS的喷嘴，用于低温ET实验。但这并不像把喷雾装置从LCLS移到低温ET机器上那么简单。问题是，在LCLS中，样品以强大的射流形式喷射；就像喷气式飞机上的花园软管。这种力和压力对低温ET实验不起作用，因为样品被喷射到薄而脆弱的网格表面上，网格表面可能会在喷流的力下破裂

因此，研究人员调整了通过喷嘴的气体流速&mdash；有点像把花园软管的设置从喷射改为薄雾。通过这种调整，它们产生了精细的喷雾，而不是强大的气流

康奈尔大学的研究员、论文合著者卡拉·齐林斯基说，由于这是一项相对较新的技术，产生雾状喷雾的正确条件几乎尚未探索。她说，他们必须测试许多不同的实验条件，如液体流速、气体流速、喷雾器到网格的距离，甚至网格类型，以找到高质量网格和数据收集的最佳条件

研究人员还改变了喷雾装置内细胞和刺激溶液的流速，实际上控制了样本混合在一起的速度，并启动了研究人员想要研究的细胞反应的时钟

Zielinski说，现在研究人员已经证明了这项新技术，它可以应用于细胞水平上关于结构动力学的各种问题

“成为一种新方法的开始总是令人兴奋的，因为这通常意味着开辟全新的生物学问题途径，”她说。“机会是无限的，因为我们现在可以通过混合小分子来触发细胞动力学，并捕捉其影响的直接结构证据。”

“我对这种方法在未来可能带来的结果感到非常兴奋，”论文合著者、斯坦福大学研究生Joey Yoniles说。“即使我们像在这项研究中那样只考虑细菌，我们也可以以极高的分辨率观察细菌和药物之间的相互作用。”