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孙飞课题组与合作者开发新型冷冻电镜支持膜技术

发布时间:2021年12月15日

  2021年12月14日,中科院生物物理所生物大分子国家重点实验室孙飞课题组与南开大学生命科学学院分子微生物学与微生物工程实验室乔明强课题组合作在《Nature Communications》杂志上发表了题为 "A cryo-electron microscopy support film formed by 2D crystals of hydrophobin HFBI" 的研究成果,针对当前冷冻电镜样品制备过程中普遍存在的由于气液界面导致的样品变性、解聚和取向优势问题,报道了一种用基于真菌疏水蛋白HFBI薄膜的新型冷冻电镜支持膜技术,为该瓶颈问题提供了有效的解决方案。

  近年来,由于硬件和图像处理算法上的不断突破,冷冻电镜单颗粒技术已经成为研究生物大分子复合体三维结构的主要研究手段之一,并已经达到了原子分辨率的水平。冷冻电镜技术流程中的关键步骤包括了冷冻样品的制备,将生物大分子样品快速冷冻在玻璃态冰中,用于下一步的冷冻电镜成像。然而,在实际的研究工作中,人们经常遇到颗粒不进孔、分布不均匀、取向优势严重、蛋白质变性等问题,导致无法解析样品的高分辨率三维结构,成为利用冷冻电镜解析生物大分子复合体高分辨率三维结构的关键瓶颈之一。近年来的研究逐步明确了该瓶颈问题的微观机理是源于传统冷冻制样过程中的气液界面效应,中科院生物物理所生物大分子国家重点实验室章新政课题组近期对于该机理问题进行了深入的探讨(Journal of Structural Biology 213, 107783)。孙飞课题组与中科院生物物理所生物成像中心开展合作,多年来围绕冷冻电镜样品制备技术开展了研究和创新,先后开发了微孔阵列碳支持膜GiG(发明专利ZL201310489148.1)和微孔阵列非晶镍钛合金支持膜ANTA(发明专利CN201810326897.5; Progress in biophysics and molecular biology 160, 5-15),相关技术产品广泛用于我国冷冻电镜实际研究工作。在这些工作的基础上,孙飞课题组基于乔明强课题组所制备的真菌疏水蛋白HFBI开发了全新的冷冻电镜支持膜HFBI-film,可以有效解决由于气液界面效应导致的样品变性、解聚和取向优势问题,提高利用冷冻电镜技术解析生物大分子复合物高分辨率三维结构的通量与效率。

  真菌疏水蛋白是一类由高等丝状真菌分泌的小分子量蛋白质(7-15kDa),可在菌丝和孢子表面自组装形成两亲性蛋白膜,在真菌不同发育阶段中起到关键作用。疏水蛋白作为两亲性蛋白质,其表面展现出明显的疏水和亲水性区域,使得疏水蛋白成为表面活性最强的蛋白质之一。良好的生物相容性、独特的自组装特性及高度的成膜稳定性使得疏水蛋白被广泛用于食品乳化、药物递送、生物材料修饰和生物传感器等领域研究。疏水蛋白HFBI是一类由瑞氏木霉生产的II型疏水蛋白,可以在气液界面处自组装成单层、高度有序的二维晶体结构(图1)。

图1. 真菌疏水蛋白生理功能及HFBI结构示意图

  在本项研究中,研究人员利用疏水蛋白HFBI自组装形成的连续二维晶体薄膜来覆盖微孔阵列非晶镍钛合金膜载网(图2),用于冷冻电镜样品制备。该载网天然亲水,无需做辉光放电处理,通过静电相互作用吸附蛋白颗粒来克服样品与气液界面接触的问题。此外,该支持膜能够帮助形成更均匀更薄的玻璃态冰,背景衬度低,有利于高分辨率和高信噪比的冷冻电镜成像。在本项研究中,研究人员用该载网成功解析了6种蛋白质的高分辨率冷冻电镜结构(图3),其中包括两个在过去冷冻电镜实验中具有明显取向优势的蛋白质样品--过氧化氢酶catalase和流感病毒血凝素HA,分子量最小可达64 kDa。这些研究结果表明该新型冷冻电镜支持膜载网可以有效解决气液界面效应,对不同分子量的样品具有广泛的适用性。此外,在本项研究中,研究人员证明了该疏水蛋白膜是通过静电相互作用来吸附蛋白颗粒,这个相互作用可以改变样品溶液的pH值来进行调节,从而为后期人们使用该支持膜载网提供了明确的优化方向和手段。

图2. 疏水蛋白支持膜载网的制备流程图

图3. 利用疏水蛋白支持膜载网所解析的冷冻电镜结构

  该研究工作由中国科学院生物物理研究所和南开大学合作完成,通讯作者为生物大分子国家重点实验室孙飞研究员和南开大学生命科学学院乔明强教授。孙飞课题组博士生范宏成设计并制备了疏水蛋白支持膜载网,为本项工作的第一作者,南开大学乔明强研究组博士生王波制备了疏水蛋白样品,为本项工作的第二作者。孙飞研究组的张艳副研究员、朱赟副研究员和翟宇佳副研究员在数据处理、文章写作和专利申请方面给予了指导。南开大学乔明强研究组的徐海津副教授和博士生宋博参与了疏水蛋白样品的制备和性质检测。该项工作的所有电镜数据收集工作均在中科院生物物理所生物成像中心完成,感谢季刚博士、黄小俊博士、贾星博士、朱博玲博士、范德印等工程师的帮助。该项工作得到了科技部重点研发项目、科技部中国-瑞士科技合作项目、国家自然科学基金、中科院先导B项目和北京市科委的支持。

  最后,该项研究成果已经申请了中国发明专利(申请号CN202110576212.4)。

  文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-27596-8

 

(供稿:孙飞研究组)

 

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