科学家利用X射线对3-D蛋白质成像

近日，通讯作者说：“在结构生物学界，科学家们使用X射线晶体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，但我们不了解它们在细胞中的功能。” NSLS-II科学家丽莎·米勒(Lisa Miller)说：“如果您正在研究一种特定的疾病，则需要知道某种蛋白质是否在错误的位置起作用或根本不起作用。”

由美国国家能源部布鲁克海文国家实验室的美国能源部(DOE)科学用户设施办公室国家同步加速器光源II(NSLS-II)的研究人员组成的科学家团队展示了一种对3-D蛋白质成像的新技术。具有纳米级的分辨率。

他们的工作发表在《美国化学学会杂志》上，使研究人员能够识别蛋白质在单个细胞内的精确位置，从而达到细胞膜和最小的亚细胞器的分辨率。

米勒和她的同事开发的这项新技术的特点与生物学中传统的荧光显微镜方法类似，在这种方法中，一种称为绿色荧光蛋白(GFP)的分子可以与其他蛋白连接以显示其位置。GFP暴露于紫外线或可见光时，会发出亮绿色的荧光，照亮细胞中其他“不可见”的蛋白质。

米勒说：“使用GFP，我们可以看到一种蛋白质是否在大小为数百纳米的亚细胞结构中，如细胞核或细胞质种。但是，这种结构像细胞膜一样，只有七到十纳米的大小。使用GFP这样的可见光标签很难看到。要看到细胞中10纳米大小的结构，您将需要使用X射线。”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，他们开发了一种对X射线敏感的标记，称为镧系元素结合标记(LBT)。LBT是非常小的蛋白质，可以与镧系元素(如铒和铕)紧密结合。

NSLS-II的主要研究人员蒂芙尼·维克多(Tiffany Victor)说：“与GFP暴露于紫外线或可见光时会发荧光的镧不同，镧系元素在X射线的存在下发荧光。而且由于镧系元素并非天然存在于细胞中，所以当我们用X射线显微镜观察时，我们就知道了我们感兴趣的蛋白质的位置。”NSLS-II，MIT和BU的研究人员共同努力，将LBT技术与X射线荧光技术相结合。米勒说：“尽管近十年来LBT已被广泛使用，但从未将它们用于X射线荧光研究。”

除了获得更高分辨率的图像外，X射线荧光还可以同时提供细胞中所有微量元素(例如钙、钾、铁、铜和锌)的化学图像。在其他研究中，米勒的团队正在研究铜等微量元素与阿尔茨海默氏病等疾病中神经元死亡的联系。可视化这些元素相对于特定蛋白质的位置将是新发现的关键。除了与X射线兼容之外，与可见光标记相比，LBT还具有相对较小的尺寸。

米勒说：“想象一下，你有一个跟你身体一样大甚至更大的尾巴附着在你身体上。您将无法进行很多正常的活动。但是，如果您只需要用一根小猪的尾巴四处走动，您仍然可以奔跑，跳跃和穿过门口。GFP就像大尾巴-可能确实阻碍了许多蛋白质的功能。但是这些小的镧系元素结合标记几乎是看不见的。”

为了证明LBT用于以纳米级分辨率对3-D蛋白质成像的用途，MIT和BU的研究人员标记了细菌细胞中的两种蛋白质 - 一种胞质蛋白质和一种膜蛋白质。然后，米勒的小组在NSLS-II的硬X射线纳米探针(HXN)光束线和高级光子源(APS)的Bionanoprobe光束线上研究了样品。

HXN首席束线科学家Chu Yong表示：“ HXN提供了世界领先的X射线焦点尺寸，可缩小至约12纳米。这对于以3D分辨率对细菌细胞成像至关重要。我们还开发了一种将细胞安装在专门的样品架上的新方法，以优化测量效率。”

通过将HXN的无与伦比的分辨率与LBT的功能相结合，该团队能够对两个标记的蛋白质进行成像。可视化细胞膜蛋白证明了可以在高分辨率下观察到LBT，而对细胞质蛋白成像显示LBT也可以在细胞内可视化。维克多说：“在高浓度下，镧系元素对细胞有毒，因此对我们来说，重要的是要证明我们可以用非常低的镧系元素浓度处理细胞，而该浓度无毒且足以使其穿过细胞膜使我们看到想要的蛋白质图像。”

如今， 借助这项新技术的成功应用，科学家希望能够使用LBT以10纳米的分辨率成像细胞内的其他蛋白质。