近日，通訊作者說：“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：“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。”

    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”的蛋白質(zhì)。

    米勒說：“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。”為了克服這一挑戰(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：“與GFP暴露于紫外線或可見光時(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。”NSLS-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：“盡管近十年來LBT已被廣泛使用，但從未將它們用于X射線熒光研究。”

    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，與可見光標(biāo)記相比，LBT還具有相對(duì)較小的尺寸。

    米勒說：“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，跳躍和穿過門口。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)記幾乎是看不見的。”

    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。我們還開發(fā)了一種將細(xì)胞安裝在專門的樣品架上的新方法，以優(yōu)化測(cè)量效率。”

    通過將HXN的無與倫比的分辨率與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。可視化細(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：“在高濃度下，鑭系元素對(duì)細(xì)胞有毒，因此對(duì)我們來說，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，而該濃度無毒且足以使其穿過細(xì)胞膜使我們看到想要的蛋白質(zhì)圖像。”

    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)。