Project

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Coherent Electron Diffractive Imaging for Vitrified Single Protein Particles

Applicant Stahlberg Henning
Number 200628
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Laboratoire de microscopie électronique biologique EPFL - SB - IPHYS - LBEM
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.09.2021 - 31.08.2025
Approved amount 717'328.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Physics
Biophysics

Keywords (5)

structural biology; image processing; cryo-EM; diffractive imaging; membrane protein

Lay Summary (German)

Lead
Cryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) ist eine Methode, bei der eingefrorene biologische Proben mit einem Elektronenmikroskop untersucht werden, um die drei-dimensionale Struktur der Proteine zu bestimmen. Cryo-EM ist dabei extrem erfolgreich: Seit einigen Jahren ist es möglich, damit in sehr kurzer Zeit die atomare Struktur von Proteinen in nur wenigen Tagen von sehr kleinen Mengen Probe zu bestimmen. So wurde zum Beispiel die Struktur vom SARS-CoV2 Virus Spike Protein in wenigen Wochen nach Bekanntwerden des Virus durch cryo-EM bestimmt, was massgeblich zur sehr schnellen Entwicklung von Impfstrategien beigetragen hat. Trotz seines Erfolges ist Cryo-EM limitiert: Die Proteinpartikel müssen ausreichend gross sein, damit sie auf den Mikrographien überhaupt erst einmal gefunden werden können, und Proben bewegen sich während der Aufnahme oft, so dass die Bilder dann verwackelt sind.
Lay summary
In diesem Projekt werden wir eine neue Variante von Cryo-EM entwickeln. Wir werden mit dem Elektronenmikroskop keine Bilder sondern Diffraktionsmuster von einzelnen Proteinen aufnehmen. Dafür werden wir einen Prototypen eines neuartigen Elektronenmikroskopes benutzen, welches die Proteine mit Beugungsfehler-korrigierter Beleuchtung untersucht und dadurch Diffraktion mit verbessertem Kontrast erlaubt, und welches mit einer neuartigen Hochgeschwindigkeitskamera ausgestattet ist. Die neue Methode, CEDI genannt, verspricht, dass auch kleinere Proteine untersucht werden können, und dies bei noch höherer Auflösung. 
Direct link to Lay Summary Last update: 06.05.2021

Lay Summary (French)

Lead
La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est une méthode dans laquelle des échantillons biologiques congelés sont examinés avec un microscope électronique afin de déterminer la structure tridimensionnelle des protéines. La cryo-EM a connu un grand succès à cet égard: depuis quelques années, il est possible de l'utiliser pour déterminer la structure atomique des protéines en un temps très court à partir de très petites quantités d'échantillon. Par exemple, la structure de la protéine de pointe du virus SRAS-CoV2 a été déterminée par cryo-EM quelques semaines après la découverte du virus, ce qui a contribué de manière significative au développement très rapide de stratégies de vaccination. Malgré son succès, la cryo-EM est limitée: Les particules de protéines doivent être suffisamment grosses pour être repérées sur les micrographies, et les échantillons se déplacent souvent pendant l'imagerie, ce qui rend les images floues.
Lay summary

Dans ce projet, nous allons développer une nouvelle variante de Cryo-EM. Nous utiliserons le microscope électronique pour prendre des schémas de diffraction de protéines individuelles plutôt que des images. Pour cela, nous utiliserons le prototype d'un nouveau microscope électronique qui examine les protéines avec un éclairage corrigé des erreurs de diffraction, permettant une diffraction avec un meilleur contraste, et qui est équipé d'une nouvelle caméra à haute vitesse. La nouvelle méthode, appelée CEDI, promet que des protéines encore plus petites pourront être étudiées, et ce à une résolution encore plus élevée. 

Direct link to Lay Summary Last update: 06.05.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
177195 Molecular and Cellular Modulation in Parkinson's Disease 01.01.2018 Sinergia
188548 Structural Studies of Human Brain in Neurodegeneration 01.08.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has revolutionized structural biology. The 3D structures of larger proteins can now be determined at unprecedented speed and resolution from rather small quantities of purified but not crystallized samples. Cryo-EM is a mature and extremely successful method. However, single particle cryo-EM still has limitations: Particles have to be sufficiently large (typically 80kDa or more) and have to be available in sufficient quantities for structural analysis. Cryo-EM data collection suffers from the fact that particles move under the electron beam, so that especially smaller proteins cannot be efficiently analyzed. Here, we propose to develop coherent electron diffractive imaging (CEDI) for single particle cryo-EM. This will be implemented with a prototype high-end cryo-EM instrument that will be equipped with a Cs probe aberration corrector above the sample, so that a convergent yet highly coherent electron illumination onto the sample can be established. Electron diffraction patterns will be recorded as dose-fractionated movies from single illuminated proteins. Such movie patterns recorded at very high speed with a novel hybrid pixel detector camera will be processed online during data collection, and highly phase-contrasted amplitude spectra of the proteins will be measured. These amplitude structure factors will be complemented by phases obtained by additional means such as homology model phasing or phase extension, in order to determine the high-resolution 3D structure of the proteins. This novel cryo-CEDI method promises rapid structural analysis also for smaller proteins. Particle drift under the electron beam would only have minor consequences for the quality of the data, and recorded phase-contrast diffraction patterns will have high signal-to-noise ratios especially in the high-resolution regions. In a first application of this new technology, we will demonstrate the feasibility of cryo-CEDI with the determination of the 3D structure of a membrane protein that is too small for currently available cryo-EM methods. This technology and its application promise efficient high-resolution structure determination of smaller proteins, so that ensembles of protein conformations under varying conditions can be determined experimentally at very high efficiency. This technology will have a very high impact on pharmaceutical drug research.
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