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3D cryo-electron microscopy for analysis of macromolecular assemblies at atomic resolution

English title 3D cryo-electron microscopy for analysis of macromolecular assemblies at atomic resolution
Applicant Loewith Robbie
Number 170794
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Département de Biologie Moléculaire Faculté des Sciences Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.09.2017 - 31.03.2022
Approved amount 950'000.00
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All Disciplines (5)

Discipline
Molecular Biology
Cellular Biology, Cytology
Structural Research
Biochemistry
Biophysics

Keywords (7)

macromolecular assemblies; automation; structural biology; cryo electron microscope; molecular mechanism; direct electron detector; high resolution

Lay Summary (German)

Lead
Recent advances in electron cryo microscopy have revolutionized how we address fundamental questions in cell and molecular biology. This R'Equip grant will enable researchers in the Suisse Romand region to solve incredible structures of biomolecules necessary to compete on the world stage.
Lay summary

Antrag zur Beschaffung zweier Gefrier-Elektronenmikroskope zur Analyse und hochauflösenden Darstellung von Makromolekülen

Hochauflösende Gefrier-Elektronenmikroskopie ist im Lauf der letzten Jahre zu einem immer bedeutender werdenden Werkzeug bei der Analyse und Darstellung biologischer Makromoleküle geworden. Bedeutende technologische Fortschritte sind dabei sowohl in der Probenvorbereitung, als auch in der Automatisierung, der Probeneinfuhr und insbesondere durch die Entwicklung neuer hochsensibler Detektoren erreicht worden. Dieser Technologie-Fortschritt erlaubt es Moleküle in ihrer atomaren Struktur darzustellen und dadurch neue Erkenntnisse über ihre Funktion zu erhalten. Besonders wertvoll ist dabei die Möglichkeit, zusätzlich Erkenntnisse über die dreidimensionale Struktur dieser Moleküle und makromolekularen Komplexe zu erhalten. Durch Schockgefrieren werden diese in ihrer ursprünglichen, nativen Struktur fixiert und können dann durch die Analyse von Kippserien aus unterschiedliche Winkeln betrachtet und räumlich dargestellt werden.

Die Bedeutung der Gefrier-Elektronenmikroskopie wurde auch vom diesjährigen (2017) Nobelpreis-Komitee gewürdigt, indem sie den drei Wissenschaftlern Joachim Frank, Richard Henderson and Jacques Dubochet für ihre in diesem Bereich geleisteten Entdeckungen und Fortschritte den Nobelpreis für Chemie verliehen.

Wir möchten mit diesem Antrag um Unterstützung für die Anschaffung zweier Gefrier-Elektronenmikroskope bitten. Wir benötigen zwei Geräte, da wir mit dem kleineren 120 kilo-Volt Gerät bei mittelhoher Auflösung eine Probenvorauswahl treffen möchten, um dann mit den besten Proben die sehr Zeit- und Energie-aufwendige hochauflösende 3D Analyse am automatisierten 200 kilo-Volt Gerät durchzuführen.

Hochauflösende Strukturbiologie ist ein wichtiger Pfeiler der modernen Biologie und die Region Genf plant sich im Bereich der Strukturbiologie weiter zu entwickeln und ein Vorreiterrolle zu spielen. Nicht umsonst war einer der drei obenerwähnten Nobelpreisträger Jaques Dubochet früher Student and der Universität Genf and später Professor im nahegelegen Lausanne.

Die beiden Gefrier-Elektronenmikroskope werden die vorhandene elektronenmikroskopische Infrastruktur der Universität Genf erweitern. Die Verantwortung der Geräte wird bei der zentralen Universitätseinrichtung des Zentrums für Bioimaging liegen, welche für eine optimale Auslastung der Geräte und die Schulung und Betreuung der Benutzer sorgen wird. Dadurch wird gesichert, dass diese Anschaffung zu einer Bereicherung sowohl der der lokalen als auch der gesamtschweizerischen Forschungslandschaft werden wird.

Direct link to Lay Summary Last update: 12.12.2017

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
The XRN1-regulated RNA helicase activity of YTHDC2 ensures mouse fertility independently of m6A recognition
Li Lingyun, Krasnykov Kyrylo, Homolka David, Gos Pascal, Mendel Mateusz, Fish Richard J., Pandey Radha Raman, Pillai Ramesh S. (2022), The XRN1-regulated RNA helicase activity of YTHDC2 ensures mouse fertility independently of m6A recognition, in Molecular Cell, 82(9), 1678-1690.e12.
Structural basis of human separase regulation by securin and CDK1–cyclin B1
Yu Jun, Raia Pierre, Ghent Chloe M., Raisch Tobias, Sadian Yashar, Cavadini Simone, Sabale Pramod M., Barford David, Raunser Stefan, Morgan David O., Boland Andreas (2021), Structural basis of human separase regulation by securin and CDK1–cyclin B1, in Nature, 596(7870), 138-142.
Synthesis, luminescence and persistent luminescence of europium-doped strontium aluminates
Hagemann H. Hans-Rudolph, Afshani Jafar (2021), Synthesis, luminescence and persistent luminescence of europium-doped strontium aluminates, Elsevier, Elsevier , 163-225.
Anisotropic ESCRT-III architecture governs helical membrane tube formation
Moser von Filseck Joachim, Barberi Luca, Talledge Nathaniel, Johnson Isabel E., Frost Adam, Lenz Martin, Roux Aurélien (2020), Anisotropic ESCRT-III architecture governs helical membrane tube formation, in Nature Communications, 11(1), 1516-1516.
Architecture of the centriole cartwheel‐containing region revealed by cryo‐electron tomography
Klena Nikolai, Le Guennec Maeva, Tassin Anne‐Marie, van den Hoek Hugo, Erdmann Philipp S, Schaffer Miroslava, Geimer Stefan, Aeschlimann Gabriel, Kovacik Lubomir, Sadian Yashar, Goldie Kenneth N, Stahlberg Henning, Engel Benjamin D, Hamel Virginie, Guichard Paul (2020), Architecture of the centriole cartwheel‐containing region revealed by cryo‐electron tomography, in The EMBO Journal, 39(22), 1-17.
A helical inner scaffold provides a structural basis for centriole cohesion
Le Guennec Maeva, Klena Nikolai, Gambarotto Davide, Laporte Marine H., Tassin Anne-Marie, van den Hoek Hugo, Erdmann Philipp S., Schaffer Miroslava, Kovacik Lubomir, Borgers Susanne, Goldie Kenneth N., Stahlberg Henning, Bornens Michel, Azimzadeh Juliette, Engel Benjamin D., Hamel Virginie, Guichard Paul (2020), A helical inner scaffold provides a structural basis for centriole cohesion, in Science Advances, 6(7), 1-13.
Cryo-EM structure of Saccharomyces cerevisiae target of rapamycin complex 2
Karuppasamy Manikandan, Kusmider Beata, Oliveira Taiana M., Gaubitz Christl, Prouteau Manoel, Loewith Robbie, Schaffitzel Christiane (2017), Cryo-EM structure of Saccharomyces cerevisiae target of rapamycin complex 2, in Nature Communications, 8(1), 1729-1729.
TORC1 organized in inhibited domains (TOROIDs) regulate TORC1 activity
Prouteau Manoël, Desfosses Ambroise, Sieben Christian, Bourgoint Clélia, Lydia Mozaffari Nour, Demurtas Davide, Mitra Alok K., Guichard Paul, Manley Suliana, Loewith Robbie (2017), TORC1 organized in inhibited domains (TOROIDs) regulate TORC1 activity, in Nature, 550(7675), 265-269.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Mohamed Chami Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Andrew McCarthy France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Christiane Schaffitzel Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Roman Ulm Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
APIDEL Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Tim Richmond Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Joachim Moser Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156920 Molecular mechanism for peptide hormone sensing by plant membrane receptor kinases 01.10.2014 Project funding (Div. I-III)
148269 How kinases define specificity in lipid signalling? 01.01.2014 Ambizione
179517 Growth control by TOR signalling pathways 01.05.2018 Project funding (Div. I-III)
159567 Surface-patterned gold and carbon nanostructures fabricated with self-assembled lipid nanotube templates 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
166625 Glutamate pathways and metabolic stresses in energy homeostasis 01.09.2016 Project funding (Div. I-III)
166678 An integrated approach to elucidate the molecular mechanisms governing host cell invasion by the Apicomplexa 01.04.2016 Project funding (Div. I-III)
157517 Deciphering the structural mechanisms governing centriole and cilia formation 01.10.2015 SNSF Professorships
160006 Investigating the global regulation of the mitotic spindle 01.05.2015 Project funding (Div. I-III)
139137 Molecular Mechanisms of Centromere Organization 01.07.2012 SNSF Professorships
149975 Roles de l'elasticite membranaire dans l'endocytose et la cytocinese 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)
166575 Genome protection by germline small RNAs 01.06.2016 Project funding (Div. I-III)
160023 Growth control by TOR signalling pathways 01.05.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Recent technological advances have firmly established electron microscopes as powerful tools for visualizing complex biological macromolecules at resolutions that allow atomistic interpretation. Due to the development of cryo technologies, automation and a new generation of detectors, transmission electron microscopy (TEM) is now rivalling the established technologies of X-ray crystallography and NMR for structure determination at high resolution. Cryo-EM is particularly powerful for the analysis of large macromolecular complexes, which are of fundamental importance in biological processes and a topic of intense research efforts.With this proposal we are asking for support towards the acquisition of a state-of-the-art Talos Arctica cryo-TEM system for 3D imaging of macromolecular and sub-cellular structures. High-resolution structural biology is an important pillar of modern biology, and Geneva is home to a rapidly growing community of structural biologists with proven track records and cutting-edge projects that demand the use of 3D cryo-EM technology. With the acquisition of the Talos Arctica we want to provide independence to the local community and ensure that Geneva stays competitive in this rapidly evolving field. 3D cryo-EM will integrate into the existing EM infrastructure of the Bioimaging Center at the Faculty of Sciences of the University of Geneva that will provide maintenance and support for structure determination by cryo-EM to the local and Swiss research community.
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