近日,通訊作者說(shuō):“在結(jié)構(gòu)生物學(xué)界,,科學(xué)家們使用X射線晶體學(xué)和低溫電子顯微鏡等技術(shù)來(lái)了解蛋白質(zhì)的精確結(jié)構(gòu)并推斷其功能,,但我們不了解它們?cè)诩?xì)胞中的功能?!?NSLS-II科學(xué)家麗莎·米勒(Lisa Miller)說(shuō):“如果您正在研究一種特定的疾病,,則需要知道某種蛋白質(zhì)是否在錯(cuò)誤的位置起作用或根本不起作用?!?/p>
由美國(guó)國(guó)家能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施辦公室國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)的研究人員組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)展示了一種對(duì)3-D蛋白質(zhì)成像的新技術(shù),。具有納米級(jí)的分辨率,。
他們的工作發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上,使研究人員能夠識(shí)別蛋白質(zhì)在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的精確位置,,從而達(dá)到細(xì)胞膜和最小的亞細(xì)胞器的分辨率,。
米勒和她的同事開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)的特點(diǎn)與生物學(xué)中傳統(tǒng)的熒光顯微鏡方法類(lèi)似,,在這種方法中,一種稱為綠色熒光蛋白(GFP)的分子可以與其他蛋白連接以顯示其位置。GFP暴露于紫外線或可見(jiàn)光時(shí),,會(huì)發(fā)出亮綠色的熒光,照亮細(xì)胞中其他“不可見(jiàn)”的蛋白質(zhì),。
米勒說(shuō):“使用GFP,,我們可以看到一種蛋白質(zhì)是否在大小為數(shù)百納米的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中,如細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)種,。但是,,這種結(jié)構(gòu)像細(xì)胞膜一樣,只有七到十納米的大小,。使用GFP這樣的可見(jiàn)光標(biāo)簽很難看到,。要看到細(xì)胞中10納米大小的結(jié)構(gòu),您將需要使用X射線,?!睘榱丝朔@一挑戰(zhàn),NSLS-II的研究人員與麻省理工學(xué)院(MIT)和波士頓大學(xué)(BU)的科學(xué)家合作,,他們開(kāi)發(fā)了一種對(duì)X射線敏感的標(biāo)記,,稱為鑭系元素結(jié)合標(biāo)記(LBT)。LBT是非常小的蛋白質(zhì),,可以與鑭系元素(如鉺和銪)緊密結(jié)合,。
NSLS-II的主要研究人員蒂芙尼·維克多(Tiffany Victor)說(shuō):“與GFP暴露于紫外線或可見(jiàn)光時(shí)會(huì)發(fā)熒光的鑭不同,鑭系元素在X射線的存在下發(fā)熒光,。而且由于鑭系元素并非天然存在于細(xì)胞中,,所以當(dāng)我們用X射線顯微鏡觀察時(shí),我們就知道了我們感興趣的蛋白質(zhì)的位置,?!盢SLS-II,MIT和BU的研究人員共同努力,,將LBT技術(shù)與X射線熒光技術(shù)相結(jié)合,。米勒說(shuō):“盡管近十年來(lái)LBT已被廣泛使用,但從未將它們用于X射線熒光研究,?!?/p>
除了獲得更高分辨率的圖像外,X射線熒光還可以同時(shí)提供細(xì)胞中所有微量元素(例如鈣,、鉀,、鐵,、銅和鋅)的化學(xué)圖像。在其他研究中,,米勒的團(tuán)隊(duì)正在研究銅等微量元素與阿爾茨海默氏病等疾病中神經(jīng)元死亡的聯(lián)系,。可視化這些元素相對(duì)于特定蛋白質(zhì)的位置將是新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵,。除了與X射線兼容之外,,與可見(jiàn)光標(biāo)記相比,LBT還具有相對(duì)較小的尺寸,。
米勒說(shuō):“想象一下,,你有一個(gè)跟你身體一樣大甚至更大的尾巴附著在你身體上。您將無(wú)法進(jìn)行很多正常的活動(dòng),。但是,,如果您只需要用一根小豬的尾巴四處走動(dòng),您仍然可以奔跑,,跳躍和穿過(guò)門(mén)口,。GFP就像大尾巴-可能確實(shí)阻礙了許多蛋白質(zhì)的功能。但是這些小的鑭系元素結(jié)合標(biāo)記幾乎是看不見(jiàn)的,?!?/p>
為了證明LBT用于以納米級(jí)分辨率對(duì)3-D蛋白質(zhì)成像的用途,MIT和BU的研究人員標(biāo)記了細(xì)菌細(xì)胞中的兩種蛋白質(zhì) - 一種胞質(zhì)蛋白質(zhì)和一種膜蛋白質(zhì),。然后,,米勒的小組在NSLS-II的硬X射線納米探針(HXN)光束線和高級(jí)光子源(APS)的Bionanoprobe光束線上研究了樣品。
HXN首席束線科學(xué)家Chu Yong表示:“ HXN提供了世界領(lǐng)先的X射線焦點(diǎn)尺寸,,可縮小至約12納米。這對(duì)于以3D分辨率對(duì)細(xì)菌細(xì)胞成像至關(guān)重要,。我們還開(kāi)發(fā)了一種將細(xì)胞安裝在專門(mén)的樣品架上的新方法,,以優(yōu)化測(cè)量效率?!?/p>
通過(guò)將HXN的無(wú)與倫比的分辨率與LBT的功能相結(jié)合,,該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)蓚€(gè)標(biāo)記的蛋白質(zhì)進(jìn)行成像??梢暬?xì)胞膜蛋白證明了可以在高分辨率下觀察到LBT,,而對(duì)細(xì)胞質(zhì)蛋白成像顯示LBT也可以在細(xì)胞內(nèi)可視化。維克多說(shuō):“在高濃度下,,鑭系元素對(duì)細(xì)胞有毒,,因此對(duì)我們來(lái)說(shuō),重要的是要證明我們可以用非常低的鑭系元素濃度處理細(xì)胞,,而該濃度無(wú)毒且足以使其穿過(guò)細(xì)胞膜使我們看到想要的蛋白質(zhì)圖像,?!?/p>
如今, 借助這項(xiàng)新技術(shù)的成功應(yīng)用,,科學(xué)家希望能夠使用LBT以10納米的分辨率成像細(xì)胞內(nèi)的其他蛋白質(zhì),。