蛋白质三维成像新技术

来源：news-medical | 作者：Emily Henderson, B.Sc.| 编译：聚生物 | 时间： 2020-4-13

包括美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室科学用户设施国家同步辐射光源II（NSLS-II）的研究人员在内的一组科学家展示了一种新的蛋白质三维成像技术，该技术具有纳米级的分辨率。他们的研究成果发表在《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上，使研究人员能够确定蛋白质在单个细胞内的精确位置，达到细胞膜和最小亚细胞器的分辨率。

Lisa Miller，通讯作者和NSLS-II科学家：“在结构生物学领域，科学家使用x射线结晶学和低温电子显微镜等技术来了解蛋白质的精确结构并推断其功能，但我们不知道它们在细胞中的功能。如果你在研究一种特殊的疾病，你需要知道一种蛋白质是否在错误的地方发挥作用。”

米勒和她的同事们开发的新技术在风格上类似于生物学中传统的荧光显微镜方法，在这种方法中，一种称为绿色荧光蛋白(GFP)的分子可以附着在其他蛋白质上，以揭示它们的位置。当绿色荧光蛋白暴露于紫外线或可见光时，它会发出明亮的绿色荧光，照亮细胞中一种“不可见”的蛋白质。

“使用绿色荧光蛋白，我们可以看到如果蛋白质在亚细胞结构中数百纳米大小、细胞核和细胞质中,”米勒说,“但像细胞膜结构,大小只有7到10纳米,很难看到可见光GFP标记。要看到一个细胞中10纳米大小的结构，你可以从x射线的使用中获益良多。”

为了克服这一挑战，NSLS-II的研究人员与麻省理工学院（MIT）和波士顿大学（BU）的科学家合作开发了一种x射线敏感标签，称为镧系元素结合标签（LBT）。LBTs是一种非常小的蛋白质，能与镧系元素紧密结合，如铒和铕。

NSLS-II、MIT和BU的研究人员共同合作，将LBT技术与x射线荧光技术结合起来：“与GFP不同，GFP在紫外线或可见光下会发光，而镧系元素在x射线照射下会发光，”NSLS-II的首席作者Tiffany Victor说由于镧系元素并非天然存在于细胞中，当我们用x射线显微镜看到它们时，我们知道我们感兴趣的蛋白质的位置。”

米勒说:“虽然lbt在过去十年中被广泛使用，但它们从未用于x射线荧光研究。”

除了获得更高分辨率的图像外，x射线荧光同时提供细胞中所有微量元素的化学图像，如钙、钾、铁、铜和锌。在其他研究中，米勒的团队正在研究像铜这样的微量元素是如何与阿尔茨海默病这样的疾病中的神经元死亡联系在一起的。将这些元素与特定蛋白质的位置可视化将是新发现的关键。

与可见光标签相比，lbt除了与x射线兼容外，还具有相对较小的尺寸。

米勒说：“想象一下，你身上有一条跟你整个身体一样大的尾巴。”会有很多你再也做不到的正常活动。但如果你只需要拖着一条小猪尾巴到处走走，你仍然可以跑，跳，从门口穿过去。GFP就像一条大尾巴——它可能是许多蛋白质功能的真正障碍。但这些小小的镧系元素绑定标签几乎看不见。”

为了演示lbt在纳米尺度下对蛋白质的三维成像，麻省理工学院和波士顿大学的研究人员标记了细菌细胞中的两种蛋白质——一种细胞质蛋白和一种膜蛋白。然后，米勒的团队在nls - ii的硬x射线纳米探测器(HXN)的束线和先进光子源(APS)的生物探测器束线——美国能源部阿贡国家实验室的科学用户设施办公室——研究了样品。

“HXN提供了世界领先的x射线聚焦尺寸，它可以缩小到大约12纳米。这对于用纳米级分辨率在三维成像细菌细胞是至关重要的，”HXN的首席波束科学家Yong Chu说。“为了优化测量的效率，我们还开发了一种将电池安装在专门的样品盒上的新方法。”

为了证明LBTs在纳米尺度的三维蛋白质成像中的应用，MIT和BU的研究人员在细菌细胞中标记了两种蛋白质——一种细胞质蛋白和一种膜蛋白。然后，米勒的团队在NSLS-II的硬X射线纳米探针（HXN）束线和高级光子源（APS）的生物纳米探针束线（APS）对样品进行了研究，APS是能源部阿贡国家实验室的科学用户设施办公室。

“HXN提供了世界领先的x射线聚焦尺寸，可降至约12纳米。HXN的首席束线科学家朱勇（Yong Chu）说：“这对于以纳米级分辨率对细菌细胞进行三维成像至关重要。”为了优化测量效率，我们还开发了一种将电池安装在专用样品架上的新方法。”

Source:

https://www.news-medical.net/news/20200413/New-technique-for-imaging-proteins-in-3D.aspx

Journal reference:

Victor, T.W., et al. (2020) Lanthanide-Binding Tags for 3D X-ray Imaging of Proteins in Cells at Nanoscale Resolution. Journal of the American Chemical Society. doi.org/10.1021/jacs.9b11571.

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