SPT Labtech adalah pemimpin global dalam persiapan sampel otomatis untuk biologi struktural. Dengan pengalaman lebih dari 17 tahun dan lebih dari 950 instrumen yang telah terpasang di seluruh dunia, perusahaan ini telah menjadi standar industri dalam penanganan cairan. Produk unggulan mereka, seperti mosquito dan dragonfly, mendukung berbagai teknik seperti kristalografi sinar-X dan cryo-EM. SPT Labtech menawarkan solusi komprehensif, mulai dari instrumen hingga bahan habis pakai, untuk membantu para peneliti mengungkap struktur molekul dengan lebih cepat dan efisien.
Kristalografi sinar-X dan cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy) adalah dua metode utama dalam biologi struktural. SPT Labtech menyediakan instrumen dan teknologi yang memungkinkan persiapan sampel otomatis untuk kedua metode tersebut. Dengan kristalografi sinar-X, sampel dikristalisasi untuk memperoleh resolusi atomik, sedangkan cryo-EM membekukan sampel dalam keadaan alaminya untuk mempelajari molekul besar.
Dikenal sebagai “revolusi resolusi”, cryo-EM telah merevolusi bidang biologi struktural dengan memungkinkan visualisasi struktur molekul dengan tingkat detail atomik. Hal ini telah menjadikan cryo-EM sebagai metode pilihan bagi para peneliti yang ingin memahami mekanisme dasar kehidupan. Meskipun kita bisa membekukan sampel dengan sangat cepat, mendapatkan gambar yang sangat detail dari makhluk hidup masih menjadi tantangan karena ada banyak faktor yang perlu diperhatikan. Seiring dengan perkembangan teknologi, instrumen seperti ‘chameleon’ dirancang untuk menyederhanakan proses persiapan sampel, membuka jalan bagi analisis gambar dengan resolusi tinggi yang lebih konsisten.
Alur kerja Cryo-EM dan hambatan yang sering terjadi dalam persiapan sampel.
Proses dimulai dengan purifikasi sampel untuk memastikan bahan yang akan dianalisis murni. Selanjutnya, sampel menjalani proses negative stain, yang membantu mengidentifikasi kualitas sampel sebelum melanjutkan ke tahap berikutnya. Kemudian, memasuki tahapan yang sering menghadapi kendala di tahap persiapan sampel dimana sampel yang terdapat pada grids dibekukan secara cepat melalui metode plunge freezing, yang menjaga struktur molekuler dalam kondisi alaminya. Setelah itu, sampel discreening pada tahap screening untuk memastikan bahwa hanya sampel berkualitas tinggi yang digunakan. Terakhir, data dikumpulkan pada tahap data collection menggunakan mikroskop cryo-EM.
Alur kerja cryo-EM saat ini menghadapi beberapa tantangan yang menghambat para peneliti seperti:
- Grids yang digunakan mudah rusak
- Hasil penelitian yang sangat bergantung pada keterampilan pengguna
- Tidak ada sistem penelusuran data yang memadai
- Seringkali tidak memiliki gambaran mengenai kualitas grid sebelum digunakan pada mikroskop
- Serta sulit untuk mengontrol orientasi dan agregasi sampel.
Terakhir, masalah denaturasi sampel pada antarmuka udara-air juga menjadi kendala yang perlu diatasi.
Our System: Chameleon
Sebuah teknologi inovatif bernama Chameleon, yang dirancang khusus untuk preparasi sampel untuk analisis cryo-EM partikel tunggal. Chameleon mampu menghasilkan preparasi sampel yang robust dan reproduktif, dengan proses dispensasi dan pencelupan yang cepat. Selain itu, teknologi ini meningkatkan throughput sambil mengurangi kebutuhan sampel berkat eliminasi proses blotting. Fitur visualisasi memungkinkan peneliti untuk mengevaluasi kualitas es sampel sebelum pengamatan mikroskop, sehingga meningkatkan efisiensi kerja. Terakhir, chameleon dirancang untuk memberikan kemudahan bagi pengguna melalui antarmuka yang intuitif serta menjamin ketertelusuran data dengan mencatat seluruh parameter persiapan sampel.
Manfaat Chameleon di Tangan Pengguna
Gambar tersebut menunjukkan hasil perbandingan antara metode pembekuan sampel tradisional (Vitrobot) dan metode baru (Chameleon) dalam preparasi sampel untuk cryo-EM. Penelitian ini berfokus pada protein dengan dua domain, yaitu hidrofobik dan bermuatan. Hasilnya menunjukkan bahwa metode Chameleon, yang memiliki waktu pembekuan lebih cepat (133 ms), mampu mempertahankan struktur protein yang lebih utuh dibandingkan dengan metode Vitrobot. Pada metode Chameleon, 73% partikel protein mempertahankan kedua domainnya, sementara pada metode Vitrobot hanya 15% yang berhasil mempertahankan kedua domain. Hal ini mengindikasikan bahwa metode Chameleon dapat mengurangi denaturasi protein selama proses pembekuan, sehingga menghasilkan data cryo-EM dengan kualitas yang lebih baik. Penelitian ini dilakukan oleh Wei-Jen Tang di Universitas Chicago bersama dengan tim peneliti lainnya.
Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi pengaruh kecepatan pembekuan sampel pada resolusi gambar yang dihasilkan oleh cryo-EM. Sampel yang digunakan adalah enzim ribonukleotida reduktase. Dua metode pembekuan dibandingkan, yaitu metode tradisional (Vitrobot) dan metode baru yang lebih cepat (Chameleon). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kecepatan pembekuan yang lebih tinggi (diperoleh dengan metode Chameleon) dapat meningkatkan resolusi gambar. Hal ini disebabkan karena pembekuan yang lebih cepat dapat mengurangi denaturasi protein, sehingga struktur protein yang dihasilkan lebih utuh dan detail. Selain itu, ketebalan es yang lebih tipis juga berkontribusi pada peningkatan resolusi. Penelitian ini menyimpulkan bahwa dengan mengoptimalkan kecepatan pembekuan, kita dapat memperoleh data cryo-EM dengan kualitas yang lebih baik, khususnya untuk sampel protein yang rentan terhadap denaturasi.
Sumber: Levitz, T. S., Brignole, E. J., Fong, I., Darrow, M. C., & Drennan, C. L. (2022). Effects of chameleon dispense-to-plunge speed on particle concentration, complex formation, and final resolution: A case study using the Neisseria gonorrhoeae ribonucleotide reductase inactive complex. Journal of structural biology, 214(1), 107825. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2021.107825