清華新聞網(wǎng)11月11日電 單顆粒冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)是目前用于解析生物大分子高分辨率結(jié)構(gòu)的主流手段之一。然而，高質(zhì)量的冷凍電鏡樣品制備仍然面臨很多挑戰(zhàn)，如氣液界面、優(yōu)勢(shì)取向和背景噪音等，極大地限制了結(jié)構(gòu)解析的效率。針對(duì)這些問(wèn)題，清華大學(xué)王宏偉教授課題組、饒燏教授課題組和北京大學(xué)彭海琳教授課題組合作研發(fā)了一種新型功能化石墨烯電鏡載網(wǎng)，有助解決樣品顆粒優(yōu)勢(shì)取向和氣液界面等問(wèn)題。
在該研究中，他們合成了多種帶有不同電荷性質(zhì)基團(tuán)（如氨基和磺酸根）的重氮鹽分子，并利用這些重氮鹽分子對(duì)CVD生長(zhǎng)的石墨烯膜進(jìn)行功能化修飾，進(jìn)而獲得帶有不同電荷性質(zhì)的石墨烯支撐膜。他們利用石蠟作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，將石墨烯支撐膜潔凈轉(zhuǎn)移到電鏡載網(wǎng)上，用以冷凍電鏡樣品制備。
經(jīng)過(guò)冷凍電子斷層掃描重構(gòu)表征，這種功能化石墨烯支撐膜保證了對(duì)目標(biāo)生物大分子的有效吸附，避免了氣液界面所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。另外，因?yàn)槭┍砻嫘揎椀幕鶊F(tuán)帶有不同的電荷性質(zhì)，從而提供了與目標(biāo)生物大分子不同的相互作用方式，達(dá)到豐富取向分布的目的。單顆粒冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析表明，帶有負(fù)電性修飾的石墨烯傾向性地結(jié)合生物大分子顆粒表面的正電性區(qū)域，而帶有正電性修飾的石墨烯則結(jié)合生物大分子顆粒的負(fù)電性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了調(diào)控生物大分子的取向分布。乳酸乳球菌第二類(lèi)內(nèi)含子LtrBRNP在常規(guī)支撐膜上具有嚴(yán)重的優(yōu)勢(shì)取向問(wèn)題，從而較難獲得高分辨率重構(gòu)。在該研究中，這種帶有不同電性修飾的功能化石墨烯支撐膜能夠調(diào)控LtrBRNP的取向分布，成功解決了優(yōu)勢(shì)取向問(wèn)題，最終獲得了分辨率達(dá)3.2埃的三維重構(gòu)結(jié)果。并且，在三維重構(gòu)過(guò)程中，相比沒(méi)有修飾的普通石墨烯支撐膜，LtrBRNP在功能化石墨烯膜上的顆粒有效利用率也明顯增加。這些數(shù)據(jù)表明這種功能化石墨烯支撐膜提供了一個(gè)較為友好的作用界面，有助于保護(hù)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)。
20S蛋白酶體以及核糖體在不同電性修飾的石墨烯（NFG：正電性修飾；SFG：負(fù)電性修飾）上的取向分布
該研究于11月7日在《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表，題為“帶有多種電性修飾的石墨烯支撐膜用以單顆粒冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析”（Functionalized graphene grids with various charges for single-particle cryo-EM）。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心王宏偉教授、生命學(xué)院博士后劉楠、清華大學(xué)藥學(xué)院饒燏教授以及北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授為本文共同通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生陸葉、博士后劉楠，藥學(xué)院2019級(jí)博士生劉永波以及北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士畢業(yè)生鄭黎明為本文共同第一作者。王宏偉課題組王家博士、2020級(jí)博士研究生楊君豪、2020級(jí)博士研究生賈霞、2022級(jí)博士研究生資沁茹以及實(shí)驗(yàn)室其他成員對(duì)該工作提供了重要幫助。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、科學(xué)探索獎(jiǎng)和中國(guó)博士后科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34579-w
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
