跳动城乡网新型高分辨率显微镜技术首次让研究人员能够在原子水平上看到天然膜环境中呼吸的动态过程。这项新技术可以帮助研究人员更好地了解患病细胞的线粒体和其他细胞器内部发生的情况，并确定新的、更精确的药物靶点。
在5月29日发表在《自然》杂志上的一项新研究中，研究人员通过整合两种显微镜技术——单粒子分析和低温电子断层扫描(cryo-ET)——开发了一种新颖的成像方法，对动物模型中的线粒体进行成像。
他们还开发了原始的计算方法来解决高度拥挤环境中图像的高分辨率低温电子显微镜(cryo-EM)分析的瓶颈问题。
该技术使研究小组能够以前所未有的分辨率观察细胞器内原生环境中的蛋白质组装。他们还研究了在这些模型中诱发疾病如何改变线粒体膜内这些蛋白质的结构。他们的工作为在原子水平上观察细胞内分子的组成铺平了道路。
“以前，我们的技术无法揭示相互作用是如何发生的，”分子生物物理学和生物化学助理教授、这项研究的首席研究员杰克·张博士说。“但在这种情况下，我们看到了原子，我们看到了分子的结构，我们看到了一切是如何相互作用的，这让我们对细胞环境中的机制有了全新的理解。”
结合两种显微镜概念来生成高分辨率图像
目前，结构生物学家受到现有显微镜技术的分辨率或可实现目标规模的限制。“我们甚至无法区分蛋白质亚基(使用传统方法)，更不用说细胞环境中的原子细节了，”张说。
耶鲁大学研究小组的这一成就是通过结合单粒子分析低温电子显微镜和低温电子断层扫描技术的概念，以及新开发的图像分析方法在低温电子断层扫描规模上分析高分辨率细胞低温电子显微镜图像而实现的。
张教授解释道：“单粒子分析非常适合对单个分子进行成像，但不适合对细胞结构进行成像。低温电子断层扫描是研究细胞结构的完美工具，但其分辨率通常仅限于几纳米。”
(a)是代表性的静电势图，说明了电荷的分布。(b)显示了新显微镜技术观察到的原子模型和精确的氢网络。图片来源：张实验室
他们通过开发一种在单粒子模式下对冷冻电子断层扫描目标进行成像的方法克服了这一技术难题，同时采用冷冻电子断层扫描重建作为后续单粒子排列和分类的初始参考。
传统单粒子低温电子显微镜的另一个局限性是，它通常要求研究人员在冷冻并将它们安装到低温电子显微镜网格上之前分离和纯化感兴趣的蛋白质，从而将分子从其原生环境中去除。
这一过程会破坏组装较弱的高级生物复合物以及生理条件下的反应。这对于膜蛋白来说尤其重要，因为使用洗涤剂纯化的样品会完全破坏天然膜环境，而这对于膜蛋白的正常功能至关重要。
通过结合这些显微镜方法并开发新的计算方法，该团队能够以单粒子分辨率和低温电子断层扫描规模创建图像，然后使用创新算法将两者联系起来，使研究人员能够以无与伦比的细节水平查看分子结构。
值得注意的是，他们的技术首次使他们能够观察到原生线粒体内的膜蛋白结构，并观察蛋白质在整个细胞器内的自然组装和功能。
研究人员以原子级细节可视化线粒体超复合物
研究人员利用新的显微镜技术，直接对动物心脏模型的线粒体进行成像，以检查线粒体呼吸超复合物，它们是生活在细胞器内膜中的蛋白质的组装体，在能量产生中发挥着至关重要的作用。
研究小组首次能够在原子层面详细观察这些超级复合物的结构，而无需将它们与线粒体分离。尤其令人惊讶的是，这种分辨率甚至可以直接观察与这些复合物相关的单个水分子。
由于所有这些超级复合物都处于其原生环境中，与纯化的蛋白质不同，因此研究小组能够在原子水平上看到线粒体内发挥作用的众多反应中间体的结构。
张说：“通过一种新颖的分类策略，我们可以看到蛋白质如何对环境做出反应并捕获不同的中间状态。”
传统方法只能提供分子在细胞环境中的低分辨率位置信息或整体形状。这种新方法具有重大的制药和临床意义。“它可以帮助我们研究分子在其原生细胞中对某些药物的反应，”张说。
为开发新型、更有效的药物铺平道路
这种显微镜技术在帮助研究人员了解各种疾病的潜在机制方面也可能具有开创性意义。为了进一步探索这一点，耶鲁大学的研究小组创建了各种心肌缺血状态的动物心脏模型，心肌缺血是一种心血管疾病，其中堵塞会阻碍血液流向心脏。
他们发现，疾病的不同阶段会引起超级复合物及其原生膜的构象分布和形状的显著变化。
代表《自然》杂志审阅张团队研究成果的专家写道：“这项开创性的工作为结构生物学树立了新的标准”，并且“未来的工作将挖掘这种新方法的巨大潜力”。
展望未来，耶鲁大学研究团队的技术可以让研究人员以全新的视角了解正常细胞和患病细胞内部发生的情况，最终为开发对新发现的分子通路或结构的高精度疗法铺平道路。
这对于膜蛋白来说尤其重要，因为它们在生理和病理过程中发挥着关键作用，是至关重要的药物靶点，包括细胞间通讯、病原体-宿主相互作用、信号转导、药物可及性、高特异性和选择性、多样化的靶标类别以及巨大的治疗潜力。
张教授的团队已经开始着眼于利用这项技术研究各种疾病模型，包括动物模型，甚至可能是供体组织，以探究这些不同情况下细胞内部发生的情况。“通过将我们的研究扩展到医学应用，我们可以提供前所未有的有关患病细胞内部发生情况的详细信息，以便提供更好的药物和治疗方法。”
