Contents
1 Electron Tomography: A Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Andrew Leis
1.1 An Introduction to Electron Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Principles of Electron Tomography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3 Sample Preparation for Electron Tomography . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.1 Scenario 1: Plastic sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.3.2 Scenario 2: Frozen-hydrated specimens . . . . . . . . . . . . .
8
1.4 Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.5 Acquisition of Projections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.6 Special Acquisition Case: Block-Face SEM . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Alignment of Projections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Reconstruction of an Aligned Tilt Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 Resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.10 Post-reconstruction Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.10.1 Segmentation and denoising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.10.2 Template matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.10.3 Subtomogram averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.11 Recommendations and Future Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.12 The Importance of Sample Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.14 Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 STEM Tomography in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Sharon Grayer Wolf, Eyal Shimoni, Michael Elbaum
and Lothar Houben
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Basics of STEM Imaging of Biological Material . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1 Electron-Sample Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2 STEM Contrast of Biological Samples . . . . . . . . . . . . . 38
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1 Electron Tomography: A Primer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Andrew Leis
1.1 An Introduction to Electron Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2 Principles of Electron Tomography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3 Sample Preparation for Electron Tomography . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.1 Scenario 1: Plastic sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.2 Scenario 2: Frozen-hydrated specimens . . . . . . . . . . . . .
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1.4 Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.5 Acquisition of Projections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.6 Special Acquisition Case: Block-Face SEM . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Alignment of Projections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Reconstruction of an Aligned Tilt Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 Resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.10 Post-reconstruction Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.10.1 Segmentation and denoising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.10.2 Template matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.10.3 Subtomogram averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.11 Recommendations and Future Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.12 The Importance of Sample Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.14 Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 STEM Tomography in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Sharon Grayer Wolf, Eyal Shimoni, Michael Elbaum
and Lothar Houben
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Basics of STEM Imaging of Biological Material . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1 Electron-Sample Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2 STEM Contrast of Biological Samples . . . . . . . . . . . . . 38
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