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清华&北大联手:石墨烯助力高分辨冷冻电镜

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  近年来,冷冻电子显微镜技术得益于硬件和软件的技术革新,发展迅猛,已经成为结构生物学领域中不可或缺的技术手段。然而冷冻电镜技术仍然面临着一些瓶颈,严重限制了该技术解析生物分子结构的效率。其中一个重要瓶颈是冷冻样品的制备。


  该过程需要将含有生物大分子的溶液加到电镜载网上,然后迅速冷冻到液态乙烷中,将生物大分子瞬间冷冻在一层大约几十纳米厚的玻璃态冰层中。目前通用的样品制备支撑膜容易导致生物大分子吸附到气液界面,从而发生分子结构的变性或者优势取向等问题,造成高分辨率结构解析的困难。


  近日,来自清华大学生命学院的王宏伟教授(通讯作者),高精尖中心卓越学者陈亚楠博士(通讯作者),刘楠博士生(第一作者)与北京大学化学分子工程学院的彭海琳教授(通讯作者),张金灿博士生(共同一作)合作在《JournaloftheAmericanChemicalSociety》(JACS)上发表题为“Bioactivefunctionalizedmonolayergrapheneforhighresolutioncryo-EM”的研究论文。作者设计开发了一种新型功能化石墨烯电镜支撑膜用于冷冻电镜高分辨率三维结构解析。


  石墨烯具有高强度韧度、单原子层薄、强导电导热性等优异特质,是一种理想的电镜样品支撑膜。作者将CVD生长的大单晶石墨烯(面积超过10mm2)利用无胶转移法转移到电镜金属载网上,并经过高锰酸钾等强氧化剂处理,活化石墨烯支撑膜表面,然后共价修饰上Ni-NTA等生物学科研中常用的蛋白纯化配体。这种功能化石墨烯支撑膜具有高亲水性(亲水角达到29°)。经过拉曼光谱和电子衍射等表征发现,化学修饰过程对单晶石墨烯的晶体结构、抗电子辐照损伤能力等影响不大,极大地保持了石墨烯原有的优异特质。


  在荧光显微镜和负染电镜下,Ni-NTA修饰的石墨烯对带有His标签的红色荧光蛋白(RFP)和核苷酸磷酸化酶(PNPase)展现了极强的亲和力,能够特异性地将目标蛋白捕获。作者进一步验证了功能化石墨烯对目标蛋白的选择性,发现这种Ni-NTA修饰的支撑膜能够从蛋白酶体和核糖体的混合溶液中,选择性地抓取带有His标签的蛋白酶体,而对不含His标签的核糖体起到一定程度上的过滤作用。


  冷冻电子断层扫描(Cryo-ET)表明,目标蛋白(蛋白酶体)能够紧紧结合在生物活性配体修饰的石墨烯表面,远离气液界面,从而避免了蛋白变性等传统冷冻样品制备方法中常见问题。作者利用功能化石墨烯支撑膜制备冷冻样品,在ThermoFisherTecnaiArctica电子显微镜(200keV,配备FalconII直接电子探测相机)上收集了冷冻电镜数据,并成功解析获得了蛋白酶体的近原子分辨率(3.8埃)的三维重构。


  作者开发了一种新型的具备生物活性功能化的大单晶石墨烯电镜支撑膜,可以有效地避免生物样品接触气液界面等限制冷冻电镜结构解析的问题,并且实现选择性地结合目标分子,有望简化生物样品冷冻电镜样品制备的流程。作者所使用的化学修饰方法极大地保持了石墨烯的高导电/热、高强度、电镜成像低噪音的性质。作者展望,功能化石墨烯支撑膜能够给高分辨率冷冻电镜结构解析提供具备更高效率和较高重复率的样品制备方法,并且将在冷冻电子断层扫描以及单分子成像等领域有潜在的应用前景。


  该项目获得科技部、国家自然科学基金委、北京市科委等的经费支持。


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