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新的超分辨率显微镜方法可观察原子级别


Weill Cornell Medicine 的科学家们开发了一种计算技术,大大提高了原子力显微镜的分辨率,这是一种“感觉”表面原子的特殊显微镜。该方法揭示了正常生理条件下蛋白质和其他生物结构的原子级细节,为细胞生物学、病毒学和其他微观过程打开了新的窗口。

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在 6 月 16 日发表在《自然》杂志上的一项研究中,研究人员描述了这项新技术,该技术基于一种用于提高光学显微镜分辨率的策略。

为了以高分辨率研究蛋白质和其他生物分子,研究人员长期以来一直依赖两种技术:X 射线晶体学和低温电子显微镜。虽然这两种方法都可以确定分子结构,直至单个原子的分辨率,但它们对被支架成晶体或在超冷温度下冷冻的分子进行测量,可能会改变它们的正常生理形状。原子力显微镜 (AFM) 可以在正常生理条件下分析生物分子,但得到的图像一直模糊且分辨率低。

原子力显微镜可以很容易地解析物理中的原子,硅酸盐固体表面和半导体上的原子,因此这意味着原则上机器具有做到这一点的精度,”资深作者、生理学和生物物理学教授西蒙·舒林博士说。 Weill Cornell Medicine 的麻醉学。“这项技术有点像你拿一支笔扫描落基山脉,这样你就可以得到该物体的地形图。实际上,我们的笔是一根针,锋利到几个原子,而物体是单个蛋白质分子。”

然而,生物分子有许多摆动的小部分,模糊了它们的 AFM 图像。为了解决这个问题,Scheuring 博士和他的同事从光学显微镜中采用了一种称为超分辨率显微镜的概念。他说:“理论上,通过光学显微镜不可能分辨出两个荧光分子之间的距离比光波长的一半更近。”然而,通过刺激相邻分子在不同时间发出荧光,显微镜学家可以分析每个分子并精确定位它们的位置。

Scheuring 博士的团队没有刺激荧光,而是指出,在 AFM 扫描过程中记录的生物分子的自然波动会产生类似的位置数据分布。第一作者 George Heath 博士在研究期间是 Weill Cornell Medicine 的博士后助理,现在是利兹大学的教员,他从事实验和计算模拟的循环以了解更大范围内的 AFM 成像过程详细并从尖端和样品之间的原子相互作用中提取最大信息。

使用超分辨率分析等方法,他们能够提取运动分子的高分辨率图像。继续进行地形类比,Scheuring 博士解释说:“如果岩石(即原子)上下摆动一点,你可以检测到这个,然后那个,然后随着时间的推移对所有检测进行平均,你会收到高 -分辨率信息。”

由于以前的 AFM 研究定期收集必要的数据,因此新技术可以追溯应用于该领域数十年来产生的模糊图像。例如,新论文包括对水通道蛋白膜蛋白的 AFM 扫描分析,该蛋白最初是在 Scheuring 博士的博士论文中获得的。再分析产生了更清晰的图像,与分子的 X 射线晶体学结构密切匹配。“你现在基本上可以在这些表面上获得准原子分辨率,”Scheuring 博士说。为了展示该方法的威力,作者提供了关于膜联蛋白(一种参与细胞膜修复的蛋白质)和质子氯化物逆向转运蛋白的新高分辨率数据,他们还报告了与其功能相关的结构变化。

除了允许研究人员在生理相关条件下研究生物分子外,这种新方法还有其他优势。例如,X 射线晶体学和低温电子显微镜依赖于大量分子的平均数据,但 AFM 可以生成单个分子的图像。“我们不是观察数百个分子,而是观察一个分子一百次并计算出高分辨率地图,”Scheuring 博士说。

在单个分子执行其功能时对其进行成像可以开启全新的分析类型。“假设你有一个 [病毒] 刺突蛋白,它处于一种构象,然后它被激活并进入另一种构象,”Scheuring 博士说。“原则上,你可以从同一个分子中计算出高分辨率图谱因为它从一种构象转变为另一种构象,而不是从一种或另一种构象的数千个分子中转变。” 这种高分辨率的单分子数据可以提供更详细的信息,并避免在对来自许多分子的数据进行平均时可能出现的误导性结果。此外,该地图可能会揭示精确重定向或中断此类过程的新策略。

其他研究合著者包括 Drs。威尔康奈尔医学院生理学和生物物理学系的 Ekaterina Kots、Shifra Lansky、George Khelashvili 和 Harel Weinstein 以及华盛顿大学生物化学和分子生物物理学系的 Janice Robertson 博士。


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