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生物物理所建立定量測定離子束對細胞切片中蛋白質的損傷新方法

2023-08-03 13:03:52來源： 生物物理研究所

【資料圖】

較體外純化的蛋白質，在細胞中處于工作狀態(tài)的蛋白質機器具有更為完整和生理的構象。因此，在細胞環(huán)境中直接對蛋白質機器進行三維結構解析是結構生物學的下一個目標，也是冷凍電鏡技術發(fā)展的前沿。而利用冷凍電鏡研究細胞中的蛋白質結構，需要采用聚焦離子束將細胞減薄成150納米左右厚度的薄片。該方法通過高能離子束轟擊冷凍細胞生成一個薄片。由于離子束接觸薄片的上下兩個表面，該減薄過程不可避免地會對兩個表面產生損傷。目前，尚無手段可以定量地分析其損傷的程度及深度，難以估算這些損傷是否會限制冷凍電鏡解析細胞內蛋白質機器的三維結構。

7月31日，《結構》（Structure）在線發(fā)表了中國科學院生物物理研究所章新政課題組撰寫的題為The reduction of FIB damage on cryo-lamella by lowering energy of ion beam revealed by a quantitative analysis的研究論文。該工作建立了新方法，可定量測定離子束對細胞切片中蛋白質的損傷。該方法運用斷層重構將離子束減薄切片中的蛋白質顆粒按照其離上下兩個表面的距離分組并做三維重構，基于每一個組中的蛋白質三維重構計算出每一個組中蛋白質成像的平均信噪比。平均信噪比體現(xiàn)了不同組中蛋白質成像的數(shù)據(jù)質量，并定量的代表了離子束對離兩個表面不同距離的蛋白質的損傷程度。

科研人員運用該方法發(fā)現(xiàn)，離子束在細胞切片表面50納米深度內會造成不可忽略的損傷，其損傷程度在表面相當于輻照了大于16電子/平方埃（300千伏電子），而在50納米處，相當于輻照了3.5電子/平方埃。這意味著，切片厚度小于100納米時，來自上下表面的損傷會在切片中央疊加，造成大于輻照了7電子/平方埃的損傷。理論上，細胞切片越薄，三維重構分辨率會越高，但當切片厚度小于100納米時，聚焦離子束將損傷切片內所有的蛋白質，這樣的矛盾將使聚焦離子束減薄的切片難以獲得準原子分辨率的三維重構。為突破損傷深度對切片最小厚度的限制，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，將離子束的電壓降低到8kV，可以將損傷層厚度減少至30納米以下。

分辨率的提升是蛋白質在細胞原位結構解析的重要需求，而獲得高質量的薄細胞切片是三維重構分辨率的提升的重要方向。該工作提供了定性判斷切片質量的工具，并為減少切片中的離子束損傷提出了方案，有助于原位結構解析分辨率的進一步提升。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、中國科學院基礎前沿科學研究計劃等的支持。

論文鏈接

FIB切片輻照損傷的定量分析

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