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Enregistrement W4385071896 · doi:10.1093/micmic/ozad067.493

High-Throughput Low-Dose Biomolecule Imaging in Liquid Phase Electron Microscopy

2023· article· en· W4385071896 sur OpenAlexaff
Nicolette A. Shaw, Tyler S. Lott, Ariel A. Petruk, Natalie Hamada, Carmen M. Andrei, Yibo Liu, Juewen Liu, Kostyantyn Pichugin, Germán Sciaini

Notice bibliographique

RevueMicroscopy and Microanalysis · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueAdvanced Electron Microscopy Techniques and Applications
Établissements canadiensMcMaster UniversityUniversity of Waterloo
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésBiomoleculeThroughputMaterials sciencePhase imagingElectron microscopeMicroscopyPhase (matter)Liquid phaseBiological specimenNanotechnologyOpticsChemistryPhysicsComputer science

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Liquid Phase Electron Microscopy (LPEM) has demonstrated high-resolution structural information comparable to cryo-EM [1] and also yields dynamic information. Imaging biomolecules in the liquid phase depends on the encapsulation method and electron dose. This work aims to tackle these key areas to advance the use of LPEM to study biomolecular structure and dynamics. Liquid cells (LCs), typically carbon (Fig. 2B) or silicon nitride (Fig. 2C) based, are used to enclose liquids and protect samples from the vacuum environment inside electron microscopes. Carbon cells include graphene and amorphous carbon cells, which both encapsulate samples into inhomogeneous liquid pockets and can wrinkle during preparation, reducing the effective viewing area [2]. SiNx LCs are mass-produced via nanofabrication processes, are more robust, and have liquid throughout the contents of the window, but yield lower resolution than carbon-based LCs. Resolution in SiNx LCs was primarily limited by window bulging, so we developed a bulge-free SiNx LC system that has addressed this issue and eliminated bulging. The resolution in our LCs is now only limited by the thickness of the SiNx window membranes (⁠≈25 nm each). This work demonstrates the successful nanofabrication of 5-nm-thin SiNx windows measured with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and presents the next steps required to image biological systems at high magnification. EELS results demonstrate a total thickness of 9.5 nm for two windows, using the calculated inelastic mean free path of Si3N4 (⁠λIMFP⁠) of 123.4 nm [3], and measured t/λIMFP of 0.077 (Fig. 1). Electron transmission estimations show that 10 nm SiNx approaches the transmission of carbon-based LCs at high beam energies (Fig. 2A) [2, 4]. Thus, thin SiNx LCs have the potential to confer resolution similar to carbon LCs, while supplying uniform liquid layer thickness (t) across the viewing area, and high throughput. This opens vast opportunities for high-throughput imaging, notably, the study of critical emerging diseases. The next step in high-throughput biomolecule imaging is addressing sample degradation caused by beam-induced radiolysis [5]. One solution is to reduce the dose by sparse sampling and reconstructing images with inpainting [6]. Sparse scans can be achieved through scan control in Scanning Transmission Electron Microscopy, and inpainting can be performed using an algorithmic approach [7], dictionary learning [6], or deep learning [8]. In this study, images of dioleoyl-phosphatidylcholine (DOPC) liposomes taken with our LPEM system were used to demonstrate inpainting. A random mask (Fig. 3B) and spiral mask [9] (Fig. 3E) were applied to simulate sparse sampling to remove 80% of the respective original data. Inpainting was performed using the Telea algorithm in the OpenCV library [7, 10]. High agreement between original (Fig. 3A&D) and inpainted (Fig. 3C&F) images validates this approach for acquiring low-dose, high-resolution data. Although still in its early stages, this research will prioritize the investigation of biological specimens using thin SiNx LC windows, alongside exploring the potential of combining this new technology with inpainting techniques [11]. EELS spectra of the thin SiNx liquid cell assembly. A) The full EELS spectrum; B) The same spectrum on an enlarged scale showing the core loss peak. Estimation of electron transmission through different liquid cells (LCs). A) Electron transmission estimation data for different LCs, calculated using previously described methods [2] and data [4]. B-C) Schematic for carbon LCs. D-E) Schematic for SiNx liquid cells. B and C show a general view, where the grey lines indicate the cross-sections shown in C and E. In E two black circles are the o-ring (omitted in D). Blue represents liquid, and the SiNx is yellow in D-E. Inpainting images of liposomes in liquid phase. A&D) Images of DOPC liposomes assembled in SiNx liquid cells with a 200 nm liquid spacer and 60 nm total SiNx windows. B&E) 20% of data remaining from A&D after applying random (B) or spiral (E) masks. C&F) Inpainted images from B&E respectively using the Telea algorithm [7, 10].

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,003
Score d'incertitude au seuil0,009

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,000
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0030,002

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,005
Tête enseignante GPT0,337
Écart entre enseignants0,332 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2023
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