科学家们在他们的移动社区娶两个强大的技术,以单个分子的精确位置

科学家已经结婚了当今最强大的显微镜技术,使图像精确定位,首次,身份和细菌细胞的具体语境中的单个蛋白质的精确位置。该信息是学习的蛋白质分子是如何协同工作,组织细胞分裂和执行其他重要任务,例如微生物能够嗅出食物和危险的关键。

这种新方法已经出土约细菌蛋白质及其附近的蜂窝社区的新信息。研究人员说,它也有潜力回答有关的病毒,寄生虫分子机器像光合作用的基本问题和流程。

“这是生物学的一个大的飞跃,我觉得有一些将这种成像中受益很多,许多系统中,”露西·夏皮罗斯坦福大学教授,他的研究小组参与了这项研究。

新的混合方法中,通过注释与单个分子或CIASM称为相关成像(发音为“裂口”),由Peter达尔伯格,在W. E. Moerner教授的斯坦福大学实验室的博士后研究员显影。vwin手机版

这是一个叫做低温单分子显微技术,三十年前由Moerner发明的,所以它们可以单独确定其高度发光标签分子的变化。这种方法underlies超高分辨率荧光显微镜,Moerner的的话题2014年诺贝尔经济学奖在化学。

达尔伯格是什么做的是找到一种方法,使这种类型的荧光成像工作在低于冰点的温度,使得相同的样品也与低温电子断层扫描(CET)进行检查。CET使用的电子流以接近原子分辨率进行快速冷冻细胞及其组件的3D图像。与荧光成像组合CET使科学家看到周围的细胞,在细胞机制了解他们的应用中的关键透视的上下文中,标记的分子。

科学家们在他们的移动社区娶两个强大的技术,以单个分子的精确位置

用的技术称为冷冻电子断层摄影术,科学家们可以创建详细的细胞的3D图像,诸如此柄杆菌细菌,并突出显示它们的部件 - 在这种情况下,细胞膜(红色和蓝色),蛋白质外壳(绿),蛋白质工厂称为核糖体(黄色)和存储颗粒(橙色)。但是到现在为止,较小的结构和单个分子不能被识别和精确定位这些图像中。在斯坦福大学开发出一种新的成像技术填补了这一空白vwin手机版,揭示小分子,在这里是不可见的。(彼得达尔伯格等人,PNAS,2020 6月8日)

“我们可以标记感兴趣的特定分子,使我们看到了光从这些分子来只,然后我们发现他们是约10纳米的范围内,其中,或一米的十亿分之一。这给了我们这是怎么回事的一个更准确的了解,”达尔伯格说。“我们已经采取CET提供的超精密快照并添加颜色一点点。”

他补充说,“这是令人振奋的发展新成像方法。vwin手机版当你完成,你把所有你可以攻击的新问题后退一步,看看。”

随着CIASM,研究小组能够找出三种蛋白的位置在能源部SLAC国家加速器实验室的部门作出的细菌的高分辨率图像CET。结果共报告国家科学学院院刊德赢手机版今天。

“每一种方法都有其优点和缺点,” Moerner说,“这是一个很好的情况下我们可以结合两种方法来了解更多信息。”

在蜂窝汤查找顺序

即使在相对简单的细菌细胞中,位置决定一切,Saumya SAURABH,夏皮罗实验室的博士后研究员谁在研究中发挥了主导作用说。

“人们往往认为细菌是没有组织的蛋白质麻袋的,”他说。“但事实证明并非如此,事实上,许多在细菌的分子都被整齐的在空间和时间。如果他们在正确的位置却没有,细胞死亡。什么皮特的工作终于使我们能够做的就是看看里面有分子的分辨率,并找出“何时何地,这些分子位于相对于对方。

cryo_em_caulobacter_labeled_sv_final复制RESIZE.jpeg

科学家们在他们的移动社区娶两个强大的技术,以单个分子的精确位置

科学家们在此柄杆菌细胞的一端想到一个看似空白区域可能拥有参与细胞分裂两种蛋白质。通过与荧光标签标记蛋白,然后用冷冻电子断层成像的同一样品,他们能够确认此位置并显示蛋白究竟是如何安排。(彼得达尔伯格等人,PNAS,2020 6月8日)

柄杆菌新月,例如,淡水细菌的充分研究的物种中,已知的用于划分成两个非常不同类型的子细胞的:一个游自如,而其它形式的一个秆和附接至表面。如何每个子细胞得到它所需要遵循其独特的路径是一个长期存在的奥秘。

科学家此前曾确定在分裂细胞的两端可能包含在这个不平衡的细胞分裂中发挥关键作用的蛋白质的小区域。其中的蛋白质,PopZ,在分裂细胞的两端找到,而其他,SpmX(“垃圾邮件-X”)仅在将发展秸秆半发现。vwin手机版

在这项研究中,SAURABH和研究生嘉瑞王标记蛋白柄杆菌用荧光标记。然后达尔伯格冻结这些样品,与研究生安妮娜萨特的帮助下对他们进行单分子荧光成像,并把他们带到斯坦福大学SLAC冷冻电镜设施对于CET成像导演邱华,在斯坦福大学和斯坦福线性加速器中心的教授。

cryo_em_caulobacter_pocket_sv_final.gif

科学家们在他们的移动社区娶两个强大的技术,以单个分子的精确位置

在柄杆菌细胞的一端看似空袋的所述的旋转3D图像现在显示PopZ分子的精确位置。口袋看起来凹凸不平的,因为它已经被人工着色的突出那里的研究人员认为,分子可能是该地区,但不能直接在冷冻电子断层扫描识别。(彼得达尔伯格等人,PNAS,2020 6月8日)

映射蛋白质聚会

合并图像不仅证实了这两种蛋白质在科学家们怀疑的地方,但也透露他们究竟是如何安排的:SpmX被嵌入细胞的内膜和突出到细胞内部,在那里开始接触PopZ直接接触。

“这种蛋白复合物的确切方位已经争论在过去的12年里,” SAURABH说。“我们能够观察到以精湛的分辨率的蛋白质伙伴。现在我们有这些蛋白质如何在细胞彼此交谈了非常精细的画面“。

cryo_em_caulobacter_location_sv_final.jpg

科学家们在他们的移动社区娶两个强大的技术,以单个分子的精确位置

在左侧示出了图像两种类型的蛋白质分子,PopZ和SpmX的的位置,在一个柄杆菌细胞的冷冻电子断层摄影图像。在右边,一个图描绘的蛋白质是如何布置:SpmX被嵌入在细胞的内膜和突出进入细胞的细胞质中,在那里它与PopZ直接接触。这些蛋白质在细胞分裂过程中协同工作。(彼得达尔伯格等人,PNAS,2020 6月8日)

该小组通过使用它来确认被叫MCPA蛋白质被称为是在细菌化学感受器阵列的一部分的位置的测试CIASM的精度。“此数组中的极其敏感蛋白作为服务柄杆菌的鼻子” SAURABH说,‘感知周围环境的化学物质,使他们能够从不愉快的事情移开并朝他们吃的葡萄糖移动’。

阵列显示为平行黑线CET图象及精确定位约10纳米内的单个MCPA蛋白的位置相同的图像的荧光标记。

在量子点的详细看

在一个单独的,平行研究,出版于应用化学4月24日,研究人员使用了类似的技术来看待单个量子点,有一些令人惊讶的结果。

量子点是半导体材料的纳米级晶体,在通过大小,形状和组成决定的颜色自然地发荧光。这些点是在研究,以标签和轨道的蛋白质和其它生物材料使用,且具有在未来电子,照明,量子计算,医学成像等领域的应用潜力。

在这项研究中,我们的目标是要看到个别点的精细结构细节均与它们的光学性质的具体细节,戴维斯佩雷斯,博士生在Moerner实验室说。

“我们能够看到各个量子点的一些奇怪的行为 - 例如,在他们与激光激发的反应,”他说。“但对我来说最令人兴奋的方面是,我们开发研究量子点的方法也可以用于研究生物系统,如光合蛋白,其中能量的蛋白质组之间的vwin手机版转移,并了解光合机制运行。”

Moerner说,他的实验室与邱努力追求这些挑战。

“这是两种方法相结合的初期,我们很高兴能探索更多的合作联光,电子,”赵说。“这种混合成像方法具有以跨越所有生活领域细胞参与关键的生物学过程的分子组成的结构揭开的潜力”。

这项研究荧光显微镜在斯坦福Moerner实验室进行。

这项研究是支持的,部分由普通医学科学研究所和科学的能源办公室的部门。德赢手机版斯坦福大学,斯坦福线性加速器中心CryoEM设施斯坦福同步辐射Lightsource的CryoEM和生物成像事业部SLAC的一部分。

引文

彼得·达尔伯格等,国家科学学院院刊德赢手机版2020年6月8日。

彼得·达尔伯格等,应用化学2020年4月24日(10.1002 / anie.202002856

如有问题或意见,请联系沟通的SLAC办公室communications@slac.stanford.edu


本新闻稿中提供的材料来自始发研究机构。内容可编辑的风格和长度。有一个问题?vwin彩票投注

订阅

一个电子邮件,每天早晨,我们最新的帖子。从医学研究的空间的消息。环境能源。技术物理学。

谢谢您的订阅。

出问题了。

发表评论

本网站使用的Akismet,以减少垃圾邮件。了解您的意见如何处理数据