近日，通訊作者說：“在結構生物學界，科學家們使用X射線晶體學和低溫電子顯微鏡等技術來了解蛋白質的精確結構并推斷其功能，但我們不了解它們在細胞中的功能。” NSLS-II科學家麗莎·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是否在錯誤的位置起作用或根本不起作用。”

    由美國國家能源部布魯克海文國家實驗室的美國能源部(DOE)科學用戶設施辦公室國家同步加速器光源II(NSLS-II)的研究人員組成的科學家團隊展示了一種對3-D蛋白質成像的新技術。具有納米級的分辨率。

    他們的工作發表在《美國化學學會雜志》上，使研究人員能夠識別蛋白質在單個細胞內的精確位置，從而達到細胞膜和最小的亞細胞器的分辨率。

    米勒和她的同事開發的這項新技術的特點與生物學中傳統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，會發出亮綠色的熒光，照亮細胞中其他“不可見”的蛋白質。

    米勒說：“使用GFP，我們可以看到一種蛋白質是否在大小為數百納米的亞細胞結構中，如細胞核或細胞質種。但是，這種結構像細胞膜一樣，只有七到十納米的大小。使用GFP這樣的可見光標簽很難看到。要看到細胞中10納米大小的結構，您將需要使用X射線。”為了克服這一挑戰，NSLS-II的研究人員與麻省理工學院(MIT)和波士頓大學(BU)的科學家合作，他們開發了一種對X射線敏感的標記，稱為鑭系元素結合標記(LBT)。LBT是非常小的蛋白質，可以與鑭系元素(如鉺和銪)緊密結合。

    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會發熒光的鑭不同，鑭系元素在X射線的存在下發熒光。而且由于鑭系元素并非天然存在于細胞中，所以當我們用X射線顯微鏡觀察時，我們就知道了我們感興趣的蛋白質的位置。”NSLS-II，MIT和BU的研究人員共同努力，將LBT技術與X射線熒光技術相結合。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提供細胞中所有微量元素(例如鈣、鉀、鐵、銅和鋅)的化學圖像。在其他研究中，米勒的團隊正在研究銅等微量元素與阿爾茨海默氏病等疾病中神經元死亡的聯系。可視化這些元素相對于特定蛋白質的位置將是新發現的關鍵。除了與X射線兼容之外，與可見光標記相比，LBT還具有相對較小的尺寸。

    米勒說：“想象一下，你有一個跟你身體一樣大甚至更大的尾巴附著在你身體上。您將無法進行很多正常的活動。但是，如果您只需要用一根小豬的尾巴四處走動，您仍然可以奔跑，跳躍和穿過門口。GFP就像大尾巴-可能確實阻礙了許多蛋白質的功能。但是這些小的鑭系元素結合標記幾乎是看不見的。”

    為了證明LBT用于以納米級分辨率對3-D蛋白質成像的用途，MIT和BU的研究人員標記了細菌細胞中的兩種蛋白質 - 一種胞質蛋白質和一種膜蛋白質。然后，米勒的小組在NSLS-II的硬X射線納米探針(HXN)光束線和高級光子源(APS)的Bionanoprobe光束線上研究了樣品。

    HXN首席束線科學家Chu Yong表示：“ HXN提供了世界領先的X射線焦點尺寸，可縮小至約12納米。這對于以3D分辨率對細菌細胞成像至關重要。我們還開發了一種將細胞安裝在專門的樣品架上的新方法，以優化測量效率。”

    通過將HXN的無與倫比的分辨率與LBT的功能相結合，該團隊能夠對兩個標記的蛋白質進行成像。可視化細胞膜蛋白證明了可以在高分辨率下觀察到LBT，而對細胞質蛋白成像顯示LBT也可以在細胞內可視化。維克多說：“在高濃度下，鑭系元素對細胞有毒，因此對我們來說，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胞，而該濃度無毒且足以使其穿過細胞膜使我們看到想要的蛋白質圖像。”

    如今， 借助這項新技術的成功應用，科學家希望能夠使用LBT以10納米的分辨率成像細胞內的其他蛋白質。