电子摄像捕捉蛋白质和脂质之间的运动舞蹈

伊利诺伊州尚佩恩 – 在“电子摄像”的首次演示中，研究人员捕捉到了细胞膜中发现的蛋白质和脂质之间微妙舞蹈的微观运动图像。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员和佐治亚理工学院的合作者说，该技术可用于研究其他生物分子的动力学，摆脱了将显微镜限制为固定分子静止图像的限制。

“我们不仅要拍摄单一的快照，这提供了结构，但不能提供动力学，而是不断记录水中的分子，它们的原生状态，”研究负责人，伊利诺伊州材料科学与工程教授Qian Chen说。“我们可以真正看到蛋白质如何改变它们的构型，在这种情况下，整个蛋白质 – 脂质自组装结构如何随时间波动。

研究人员在《科学进展》杂志上报告了他们的技术和发现。

电子显微镜技术在分子或原子尺度上成像，产生详细的纳米尺度图像。然而，他们通常依赖于已经冷冻或固定到位的样本，让科学家们试图推断分子如何移动和相互作用——就像试图从单帧胶片中绘制舞蹈序列的编排一样。

“这是我们第一次在个体尺度上研究一种蛋白质，并且没有冷冻或标记它，”该研究的通讯作者佐治亚理工学院教授Aditi Das说。“通常，我们必须结晶或冷冻蛋白质，这给捕获柔性蛋白质的高分辨率图像带来了挑战。或者，一些技术使用我们跟踪的分子标签，而不是观察蛋白质本身。在这项研究中，我们看到了蛋白质的本来面目，在液体环境中的表现，并看到了脂质和蛋白质如何相互作用。

研究人员通过将一种新型的水基透射电子显微镜方法与详细的原子级计算建模相结合，实现了摄像。水性技术涉及将纳米级液滴封装在石墨烯中，以便它们能够承受显微镜工作的真空。将生成的视频数据与分子模型进行比较，分子模型根据物理定律显示物体应该如何运动，不仅有助于研究人员解释，还有助于验证他们的实验数据。

“目前，这确实是随着时间的推移拍摄这种运动的唯一实验方法，”该论文的第一作者约翰·W·史密斯（John W. Smith）说，他在伊利诺伊州读研究生时完成了这项工作。“生命是液体，它在运动。我们正试图以一种实验性的方式获得这种联系的最佳细节。

在这项新研究中，研究人员首次公布了电子摄像技术的演示，研究人员检查了脂质膜的纳米级圆盘，以及它们如何与通常在细胞膜表面或嵌入细胞膜中的蛋白质相互作用。

“膜蛋白位于细胞之间以及细胞内部和外部之间的界面，控制着进出的东西，”史密斯说。“他们绝大多数是医学目标;它们参与各种过程，例如我们的肌肉如何收缩、我们的大脑如何工作、免疫识别;它们将细胞和组织结合在一起。膜蛋白如何工作的所有复杂性不仅来自它自身的结构，还来自它如何体验周围的脂质。

电子摄像使研究人员不仅可以看到整个脂质 – 蛋白质组装体如何移动，而且还可以看到每个成分的动力学。研究人员发现，纳米盘内存在不同的区域，波动和稳定性都比预期的要大。

史密斯说，虽然人们通常认为膜蛋白运动的影响仅限于直接围绕它的脂质分子，但研究人员在更大的范围内看到了更剧烈的波动。波动呈现出手指状的形状，就像溅在墙上的粘液一样。然而，即使在如此剧烈的运动之后，纳米盘也会恢复到其正常配置。

“我们看到了这些结构域，并且看到它从这些过程中恢复，这表明蛋白质和膜之间的相互作用实际上比大多数人通常认为的范围更大，”史密斯说。

研究人员计划使用他们的电子摄像技术来研究其他类型的膜蛋白和其他类别的分子和纳米材料。

“我们可以研究使用这个平台打开和关闭以调节流动和细胞间相互作用的离子通道，”Chen说。“这个平台的生物系统定制是高风险的，需要多年的努力。我们非常感谢空军科学研究办公室生物物理学项目的支持，该项目一直是该平台每一次进步的幕后推手。这对我们的成功至关重要。

陈倩还隶属于化学系、贝克曼先进科学技术研究所、卡尔伊利诺伊医学院和伊利诺伊州材料研究实验室。