We have developed new open-source software called cisTEM (computational imaging system for transmission electron microscopy) for the processing of data for high-resolution electron cryo-microscopy and single-particle averaging. cisTEM features a graphical user interface that is used to submit jobs, monitor their progress, and display results. It implements a full processing pipeline including movie processing, image defocus determination, automatic particle picking, 2D classification, ab-initio 3D map generation from random parameters, 3D classification, and high-resolution refinement and reconstruction. Some of these steps implement newly-developed algorithms; others were adapted from previously published algorithms. The software is optimized to enable processing of typical datasets (2000 micrographs, 200 k – 300 k particles) on a high-end, CPU-based workstation in half a day or less, comparable to GPU-accelerated processing. Jobs can also be scheduled on large computer clusters using flexible run profiles that can be adapted for most computing environments. cisTEM is available for download from cistem.org.

Biological specimens suffer radiation damage when imaged in an electron microscope, ultimately limiting the attainable resolution. At a given resolution, an optimal exposure can be defined that maximizes the signal-to-noise ratio in the image. Using a 2.6 Å resolution single particle cryo-EM reconstruction of rotavirus VP6, determined from movies recorded with a total exposure of 100 electrons/Å(2), we obtained accurate measurements of optimal exposure values over a wide range of resolutions. At low and intermediate resolutions, our measured values are considerably higher than obtained previously for crystalline specimens, indicating that both images and movies should be collected with higher exposures than are generally used. We demonstrate a method of using our optimal exposure values to filter movie frames, yielding images with improved contrast that lead to higher resolution reconstructions. This 'high-exposure' technique should benefit cryo-EM work on all types of samples, especially those of relatively low-molecular mass.

Abstract Objective: Symptomatic carotid stenosis is associated with a 3‐fold risk of early stroke recurrence compared to other stroke subtypes. Current carotid imaging techniques rely on estimating plaque‐related lumen narrowing but do not evaluate intraplaque inflammation, a key mediator of plaque rupture and thromboembolism. Using combined 18 F‐fluorodeoxyglucose positron‐emission tomography (FDG‐PET)/computed tomography, we investigated the relation between inflammation‐related FDG uptake and stroke recurrence. Methods: Consecutive patients with a recent (median, 6.5 days; interquartile range, 4–8) stroke, transient ischemic attack (TIA), or retinal embolism and ipsilateral carotid stenosis (≥50%) were included. FDG uptake was quantified as mean standardized uptake values (SUVs, g/ml). Patients were followed prospectively for stroke recurrence. Results: Sixty patients were included (25 stroke, 29 TIA, 6 retinal embolism). Twenty‐two percent (13 of 60) had stroke recurrence within 90 days. FDG uptake in ipsilateral carotid plaque was greater in patients with early recurrent stroke (mean SUV, 1.85g/ml; standard deviation [SD], 0.44 vs 1.58g/ml; SD, 0.32, p = 0.02). On life‐table analysis, 90‐day recurrence rates with mean SUV greater than a 2.14g/ml threshold were 80% (95% confidence interval [CI], 41.8–99.2) versus 22.9% (95% CI, 12.3–40.3) with SUV ≤2.14g/ml (log‐rank, p < 0.0001). In a Cox regression model including age and degree of stenosis (50–69% or ≥70%), mean plaque FDG uptake was the only independent predictor of stroke recurrence (adjusted hazard ratio, 6.1; 95% CI, 1.3–28.8; p = 0.02). Interpretation: In recently symptomatic carotid stenosis, inflammation‐related FDG uptake was associated with early stroke recurrence, independent of the degree of stenosis. Plaque FDG‐PET may identify patients at highest risk for stroke recurrence, who may be selected for immediate revascularization or intensive medical treatment. ANN NEUROL 2012

We describe an apparatus for the cryogenic landing of particles from the ion beam of a mass spectrometer onto transmission electron microscope grids for cryo-electron microscopy. This system also allows for the controlled formation of thin films of amorphous ice on the grid surface. We demonstrate that as compared to room temperature landings, use of this cryogenic landing device greatly improves the structural preservation of deposited protein-protein complexes. Further, landing under cryogenic conditions can increase the diversity of particle orientations, allowing for improved 3D structural interpretation. Finally, we conclude that this approach allows for the direct coupling of mass spectrometry with cryo-electron microscopy.

Native mass spectrometry (MS) is an emerging technology that can provide complementary data to electron microscopy (EM) for protein structure characterization. Beyond the ability to provide mass measurements of gas-phase biomolecular ions, MS instruments offer the ability to purify, select, and precisely control the spatial location of these ions. Here we present a modified Orbitrap MS system capable of depositing a native MS ion beam onto EM grids. We further describe use of a chemical landing matrix that both preserves and protects the structural integrity of the deposited particles. With this system we obtained the first 3D reconstructed structure of gas-phase, deposited biomolecular ions – the 800 KDa protein complex GroEL. These data provide direct evidence that non-covalent protein complexes can indeed retain their condensed-phase structures following ionization and vaporization. Finally, we describe how further developments of this technology could pave the way to an integrated MS-EM technology with promise to provide improved cryo-EM sample preparation over conventional plunge-freezing techniques.

Abstract In cryogenic electron microscopy (cryo-EM), specimen preparation remains a bottleneck despite recent advancements. Classical plunge freezing methods often result in issues like aggregation and preferred orientations at the air/water interface. Many alternative methods have been proposed, but there remains a lack a universal solution, and multiple techniques are often required for challenging samples. Here, we demonstrate the use of lipid nanotubes with nickel NTA headgroups as a platform for cryo-EM sample preparation. His-tagged specimens of interest are added to the tubules, and they can be frozen by conventional plunge freezing. We show that the nanotubes protect samples from the air/water interface and promote a wider range of orientations. The reconstruction of average subtracted tubular regions (RASTR) method allows for the removal of the nanotubule signal from the cryo-EM images resulting in isolated images of specimens of interest. Testing with β-galactosidase validates the method’s ability to capture particles at lower concentrations, overcome preferred orientations, and achieve near-atomic resolution reconstructions. Since the nanotubules can be identified and targeted automatically at low magnification, the method enables fully automated data collection. Furthermore, the particles on the tubes can be automatically identified and centered using 2D classification enabling particle picking without requiring prior information. Altogether, our approach that we call specimen preparation on a tube RASTR (SPOT-RASTR) holds promise for overcoming air-water interface and preferred orientation challenges and offers the potential for fully automated cryo-EM data collection and structure determination.

Abstract Over the last decade, single-particle electron cryo-microscopy has become one of the main techniques contributing to the growing library of high-resolution structures of macromolecules and their assemblies. For a full understanding of molecular mechanisms, however, it is important to place them into the broader context of a cell. Traditionally, this context can be visualized in 3D by electron cryo-tomography, and more recently, has also been studied by template matching of 2D images of cells and viruses. A current limitation of the latter approach is the high computational cost that limits the throughput and widespread adoption of this method. We describe here a GPU-accelerated implementation of 2D template matching in the image processing software cis TEM that allows for easy scaling and improves the accessibility of this approach. We apply 2D template matching to identify ribosomes in images of frozen-hydrated Mycoplasma pneumoniae cells and demonstrate that it can function as a versatile tool for in situ visual proteomics and in situ structure determination. We compare the results with 3D template matching of tomograms acquired on identical sample locations. We identify strengths and weaknesses of both techniques which offer complementary information about target localization and identity.

Abstract Circadian rhythms play an essential role in many biological processes and surprisingly only three prokaryotic proteins are required to constitute a true post-translational circadian oscillator. The evolutionary history of the three Kai proteins indicates that KaiC is the oldest member and central component of the clock, with subsequent additions of KaiB and KaiA to regulate its phosphorylation state for time synchronization. The canonical KaiABC system in cyanobacteria is well understood, but little is known about more ancient systems that possess just KaiBC, except for reports that they might exhibit a basic, hourglass-like timekeeping mechanism. Here, we investigate the primordial circadian clock in Rhodobacter sphaeroides (RS) that contains only KaiBC to elucidate its inner workings despite the missing KaiA. Using a combination X-ray crystallography and cryo-EM we find a novel dodecameric fold for KaiC RS where two hexamers are held together by a coiled-coil bundle of 12 helices. This interaction is formed by the C-terminal extension of KaiC RS and serves as an ancient regulatory moiety later superseded by KaiA. A coiled-coil register shift between daytime- and nighttime-conformations is connected to the phosphorylation sites through a long-range allosteric network that spans over 160 Å. Our kinetic data identify the difference in ATP-to-ADP ratio between day and night as the environmental cue that drives the clock and further unravels mechanistic details that shed light on the evolution of self-sustained oscillators.