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凍結!科學家完美娛樂城以原子精度捕捉人造蛋白質

類蛋白分子稱為“類多肽”(簡稱“類肽”)作為製造各種設計器納米材料(例如柔性納米片-超薄,原子級2D材料)的精密構件具有廣闊的前景。他們可以低成本推廣許多應用,例如合成的,疾病特異性抗體和自修復膜或組織。

但是,要了解如何實現這些應用,科學家需要一種方法來放大類肽的原子結構。在材料科學領域,研究人員通常使用電子顯微鏡達到原子分辨率,但像擬肽這樣的柔軟材料會在電子束的刺眼眩光下分解。

現在,美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的科學家採用了一種技術,該技術利用電子的力量來可視化軟材料的原子結構,同時保持其完整。

他們的研究發表在雜誌上 地下539包牌美國國家科學院院刊 首次展示了低溫電子顯微鏡(低溫電子顯微鏡)技術,該技術最初旨在獲得溶液中蛋白質的成像技術,該技術曾獲得諾貝爾獎,該技術可用於成像合成軟材料中的原子變化。他們的發現對2D材料的合成具有廣泛的意義。

尼塔什·巴爾薩拉(Nitash Balsara)表示:“我們接觸的所有材料都是由於原子在材料中的排列方式而起作用的。但是,我們不了解類肽的知識,因為與蛋白質不同,許多軟合成材料的原子結構凌亂且難以預測。”是伯克利實驗室材料科學系的高級教職科學家,也是加州大學伯克利分校的化學工程教授,他共同領導了這項研究。 “而且,如果您不知道原子在哪裡,那您就瞎了。我們使用cryo-EM對類肽進行成像將為在原子尺度上設計和合成軟材料開闢一條清晰的道路。”

仔細研究軟材料

在過去的13年中,Balsara一直致力於通過伯克利實驗室的“軟物質電子顯微鏡計劃”在原子尺度上對軟材料進行成像。在當前的研究中,他與伯克利實驗室分子鑄造所的高級科學家羅納德·扎克曼(Ronald Zuckermann)攜手,他大約30年前首次發現了類肽,以尋找新的聚合物-這種材料是由長而重複的小分子單元鏈組成的,稱為“單體” -用於靶向藥物治療。

扎克曼說:“這項研究來自伯克利實驗室多年的研究。製造一種材料並看到原子-這是我職業的夢想。”

與大多數合成聚合物不同,類肽可以具有精確的單體單元序列,這是生物聚合物(如蛋白質和DNA)的共同特徵。

與天然蛋白質一樣,類肽可以生長或自組裝成不同的形狀,以實現特定功能-例如螺旋,纖維,納米管或薄而扁平的納米片。

但是與蛋白質不同,分子發發網類肽的結構通常是無定形且不可預測的-就像一堆濕麵條。長期以來,弄清這種不可預測的結構一直是材料科學家的障礙。

用cryo-EM固定類肽

因此,研究人員轉向了冷凍電磁技術,該技術可在約80開爾文(或316華氏度)下以幾微秒的速度對類肽進行速凍。 cryo-EM的超冷溫度鎖定在薄板的結構中,並且還防止電子破壞樣品。

為了保護柔軟的材料,cryo-EM使用的電子少於常規電子顯微鏡,從而產生了鬼影的黑白圖像。為了更好地記錄原子級發生的情況,拍攝了數百張這樣的圖像。先進的數學工具將這些圖像結合在一起,以製作出更詳細的原子級圖片。

對於這項研究,研究人員從短的類肽多聚體溶液中製備了納米片。娛樂城評價由六種稱為“芳香族”的疏水性單體的鏈製成,它們與四種親水性聚醚單體連接。親水或“憎水”的單體被溶液中的水吸引,而疏水或“憎水”的單體則避開水,使分子定向形成僅一分子厚(約3納米)的晶體納米片。 ,即一米的十分之一)。

主要作者,材料科學部的博士後研究員玄婷(Sunting Xuan)合成了類肽納米片,並在伯克利實驗室的高級光源(ALS)中使用了X射線散射技術來表徵其分子結構。 ALS產生各種波長的光,以便能夠研究樣品的納米級結構和化學性質以及其他特性。

材料科學部的項目科學家Xi Jiang捕獲了高質量的圖像,並開發了在類肽成像中實現原子分辨率所必需的算法。

分子鑄造研究所的資深研究員,臨時董事David Prendergast對類肽中的原子取代進行了建模,而該研究所的博士後研究員Nan Li則對其進行了建模。 tha娛樂城Molecular Foundry進行了分子動力學模擬,以建立納米片的原子尺度模型。

團隊發現的核心是他們在材料合成和原子成像之間快速迭代的能力。類肽合成的精確度,加上研究人員能夠使用哭泣直接成像原子位置的能力炫海娛樂城o-EM,允許他們在原子水平上改造類肽。令他們驚訝的是,當他們創建了類肽單體序列的幾個新變體時,納米片的原子結構以非常有序的方式發生了變化。

例如,當每個芳香環上再加一個溴原子時,娛樂城app每個類肽分子的猿猴保持不變,但行之間的間隔增加了足以容納其他溴原子的空間。

此外,當對類肽納米片結構的四個其他變體進行成像時,研究人員發現其原子結構具有顯著的均勻性,並且納米片共享相同形狀的類肽分子。扎克曼說,這使他們可以預見地設計納米片結構。

巴爾薩拉說:“在軟質材料中如此大規模地控制原子原子分子是完全出乎意料的,”因為假設當蛋白質具有特定的單體序列時,只有蛋白質才能形成定義的形狀,例如氨基酸。

團隊採用新材料

在將近40年的時間裡,伯克利實驗室將電子顯微鏡的邊界推到了曾經被認為無法用電子束探索的科學領域。伯克利實驗室科學家的開創性工作在2017年諾貝爾化學獎中也發揮了關鍵作用,該獎表彰了冷凍電磁技術的發展。

巴爾薩拉說:“大多數人會說,不可能開發出一種能夠定位並看到柔軟材料中單個原子的技術。” “解決此類難題的唯一方法是與跨學科的專家合作。在伯克利實驗室,我q8娛樂城們作為一個團隊工作。”

Zuckermann補充說,當前的研究證明cryo-EM技術可以應用於多種常見的聚合物和其他工業軟材料,並且可以導致一類新的軟納米材料折疊成具有蛋白質樣結構的蛋白質樣結構職能。

他說:“這項工作為材料科學家解決了使人造蛋白質變為現實的挑戰提供了條件,”他補充說,他們的研究還使該團隊致力於解決各種令人興奮的問題,並“提高人們對他們的認識。同樣,也可以開始使用這些低溫電磁技術研究其柔軟材料的原子結構。”

參考:Xuan等。 2019.多肽級晶格的原子級工程和成像。 PNASDOI:https://doi.org/10.1073/pnas.1909992116。 

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