作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 斯坦福大学的科学家们认为，杆菌一端一个看似空白的区域可能含有两种参与细胞分裂的蛋白质
通过用荧光标签标记蛋白质，然后用冷冻电子断层扫描成像这些相同的样本，他们能够确认这个位置，并准确显示蛋白质是如何排列的
作者:彼得·达尔伯格等
2020年6月8日，PNAS 科学家将当今最强大的两种显微技术结合在一起，制作出图像，第一次在细菌细胞的详细环境中精确定位单个蛋白质的身份和精确位置
这些信息对于了解蛋白质分子如何一起工作来组织细胞分裂和执行其他重要任务至关重要，例如使微生物能够嗅出食物和危险
这种新方法已经发掘出了关于细菌蛋白质及其附近细胞的新信息
研究人员说，它也有潜力回答关于病毒、寄生虫和光合作用等过程的分子机制的基本问题
斯坦福大学教授露西·夏皮罗的研究小组参与了这项研究，她说:“这对于生物学来说是一个巨大的飞跃，我认为有很多很多的系统将从这种成像中受益。”
这种新的混合方法被称为单分子注释相关成像，或称CIASM(发音为“鸿沟”)，是由W教授实验室的博士后研究员彼得·达尔伯格开发的
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斯坦福大学的摩尔纳
这是一种叫做低温单分子显微镜的技术的变体，由莫尔纳在30年前发明，它给分子贴上发光的标签，这样它们就可以被单独识别
这种方法是摩尔纳2014年诺贝尔化学奖的主题——超分辨率荧光显微镜的基础
达尔伯格所做的是找到一种方法，使这种类型的荧光成像在零下温度下工作，这样同样的样品也可以用低温电子断层扫描术进行检查
CET使用电子流以接近原子的分辨率制作速冻细胞及其成分的三维图像
将CET和荧光成像结合起来，科学家可以看到周围细胞环境中的标记分子，这是理解它们在细胞机制中的作用的一个重要视角
“我们可以标记感兴趣的特定分子，这样我们看到的光就只能来自这些分子，然后我们就能找到它们在大约10纳米(或十亿分之一米)内的位置
这让我们对正在发生的事情有了更准确的了解，”达尔伯格说
“我们拍摄了CET提供的超精确快照，并添加了一点色彩
" 他补充说，“开发新的成像方法是令人兴奋的
当你完成后，你可以后退一步，看看所有你可以攻击的新问题
" 有了CIASM，研究小组能够在能源部SLAC国家加速器实验室拍摄的细菌高分辨率CET图像中精确定位三种蛋白质的位置
该结果发表在今天的《美国国家科学院院刊》上
“每种方法都有它的优点和缺点，”莫尔纳说，“这是一个很好的情况，我们可以结合两种方法来学习更多
" 一张旋转的3D图像显示了一个杆菌细胞一端看似空的口袋，现在显示了PopZ分子的精确位置
口袋看起来凹凸不平，因为它被人工着色以突出研究人员认为分子可能在的区域，但不能在低温电子断层扫描中直接识别
作者:彼得·达尔伯格等
2020年6月8日，PNAS 在细胞汤里寻找秩序 夏皮罗实验室的博士后研究员索米亚·索拉博说，即使在相对简单的细菌细胞中，位置也是一切，他在这项研究中发挥了主导作用
“人们倾向于认为细菌是没有组织的蛋白质袋，”他说
“但事实证明并非如此，事实上细菌中的许多分子在空间和时间上都精确定位
如果他们不在正确的位置，细胞就会死亡
皮特的工作最终让我们能够以分子分辨率观察内部，并找出这些分子相对于彼此的位置和时间
" 例如，一种被广泛研究的淡水细菌——克雷森氏茎杆菌，以分裂成两种截然不同的子细胞而闻名:一种自由游动，而另一种形成茎并附着在表面
每一个子细胞如何获得它所需要的东西来遵循它独特的路径一直是个谜
科学家们先前已经确定了分裂细胞两端的小区域，这些区域可能含有在这种不平衡的细胞分裂中起关键作用的蛋白质
其中一种蛋白质，PopZ，存在于分裂细胞的两端，而另一种蛋白质，SpMx(“Spam-X”)只存在于发育成茎的一半
在这项研究中，索拉博和研究生王家瑞用荧光标签标记了杆菌中的蛋白质
然后，达尔伯格将这些样本冷冻起来，在研究生安妮娜·萨托的帮助下，对它们进行单分子荧光成像，并把它们带到斯坦福-SLAC大学的低温电磁设备进行CET成像，该设备由斯坦福和SLAC大学的教授华丘指导
绘制蛋白质的分布图 这些组合图像不仅证实了这两种蛋白质都在科学家怀疑的区域，还揭示了它们是如何排列的:SpmX嵌入细胞内膜，并突出到细胞内部，在那里它与PopZ直接接触。
绍拉布说:“在过去的12年里，人们一直在争论这种蛋白质复合物的确切定位。”
“我们能够以极高的分辨率观察蛋白质伴侣
现在我们对这些蛋白质在细胞中如何相互交流有了非常精确的了解
" 利用一种叫做冷冻电子断层扫描的技术，科学家可以创建细胞的详细3D图像，比如这种茎杆菌，并突出它们的成分——在这种情况下，细胞膜(红色和蓝色)、蛋白质外壳(绿色)、被称为核糖体的蛋白质工厂(黄色)和储存颗粒(橙色)
但是直到现在，更小的结构和单个分子还不能在这些图像中被识别和精确定位
斯坦福大学开发的一项新成像技术填补了这一空白，揭示了这里看不见的小分子
作者:彼得·达尔伯格等
2020年6月8日，PNAS 研究小组测试了CIASM的准确性，用它来确认一种叫做McpA的蛋白质的位置，这种蛋白质是细菌化学受体阵列的一部分。
绍拉布说:“这个阵列中极为敏感的蛋白质充当着杆菌的鼻子，感知周围环境的化学物质，这样它们就可以远离不愉快的事物，转向它们所吃的葡萄糖。”
" 该阵列在CET图像中显示为平行的黑线，同一图像的荧光标记精确定位了约10纳米内的单个单核细胞趋化蛋白的位置
量子点的详细介绍 在4月24日发表在Angewandte Chemie上的另一项平行研究中，研究人员使用了类似的技术来观察单个量子点，取得了一些令人惊讶的结果
量子点是半导体材料的纳米级晶体，其自然发出的荧光颜色由它们的尺寸、形状和成分决定
这些点用于标记和跟踪蛋白质和其他生物材料的研究，并在未来的电子、照明、量子计算、医学成像和其他领域有潜在的应用
戴维斯·佩雷斯博士说，在这项研究中，目标是了解单个点的更精细的结构细节是如何与其光学特性的具体细节相关联的
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莫尔纳实验室的学生
“我们能够看到单个量子点的一些令人惊讶的行为——例如，它们对激光激发的反应，”他说
“但对我来说，最令人兴奋的是，我们开发的研究量子点的方法也可以用于研究生物系统，如光合作用蛋白质，其中能量在蛋白质组之间转移，并观察光合作用机制是如何运作的
" 莫尔纳说，他的实验室正与邱一起努力应对这些挑战
“这是结合这两种方法的早期阶段，我们很高兴探索更多将光和电子联系起来的合作，”邱说
“这种混合成像方法有可能揭示细胞中涉及所有生命领域的关键生物过程的分子成分结构
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