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新的计算技术大大提高了原子力显微镜的分辨率

威尔康奈尔医学院的科学家们开发了一种计算技术,可以大大提高原子力显微镜的分辨率,原子力显微镜是一种“感觉”表面原子的特殊类型的显微镜。该方法揭示了正常生理条件下蛋白质和其他生物结构的原子级细节,为细胞生物学、病毒学和其他微观过程打开了一个新窗口。

在 6 月 16 日发表在《自然》杂志上的一项研究中,研究人员描述了这项新技术,该技术基于一种用于提高光学显微镜分辨率的策略。

为了以高分辨率研究蛋白质和其他生物分子,研究人员长期以来一直依赖两种技术:X 射线晶体学和冷冻电子显微镜。虽然这两种方法都可以确定分子结构,直到单个原子的分辨率,但它们是在分子支架上进行的,这些分子要么被固定在晶体中,要么在超低温下冷冻,这可能会改变它们的正常生理形状。

原子力显微镜(AFM)可以在正常生理条件下分析生物分子,但得到的图像模糊且分辨率低。

原子力显微镜可以很容易地解析物理学中的原子、硅酸盐固体表面和半导体上的原子,因此这意味着原则上机器具有做到这一点的精度。”

Simon Scheuring 博士,研究高级作者和教授,生理学和生物物理学,麻醉学,威尔康奈尔医学院

“这项技术有点像你拿笔扫描落基山脉,这样你就能得到物体的地形图。实际上,我们的笔是一根针,锋利到几个原子,而物体是单个蛋白质分子。”

然而,生物分子有许多摆动的小部分,模糊了它们的 AFM 图像。为了解决这个问题,Scheuring 博士和他的同事采用了一种来自光学显微镜的概念,称为超分辨率显微镜。

“从理论上讲,光学显微镜不可能分辨距离小于光波长一半的两个荧光分子,”他说。然而,通过刺激相邻分子在不同时间发出荧光,显微镜师可以分析每个分子的扩散并高精度地确定它们的位置。

Scheuring 博士的团队指出,在 AFM 扫描过程中记录的生物分子的自然波动产生了类似的位置数据传播,而不是刺激荧光。

第一作者 George Heath 博士,在研究时是威尔康奈尔医学院的博士后助理,现在是利兹大学的教员,从事实验和计算模拟的循环,以更深入地了解 AFM 成像过程。从尖端和样品之间的原子相互作用中详细提取并提取最大信息。

使用超分辨率分析等方法,他们能够提取运动分子的更高分辨率图像。继续地形类比,Scheuring 博士解释说,“如果岩石(即原子)上下摆动一点,你可以检测到这个,然后那个,然后你随着时间的推移平均所有检测,你会收到高 -分辨率信息。”

由于之前的 AFM 研究通常会收集必要的数据,因此这项新技术可以追溯应用于该领域几十年来产生的模糊图像。例如,新论文包括对水通道蛋白膜蛋白的 AFM 扫描的分析,该蛋白最初是在 Scheuring 博士的博士论文中获得的。

再分析生成了更清晰的图像,与分子的 X 射线晶体学结构密切匹配。“你现在基本上可以在这些表面上获得准原子分辨率,”Scheuring 博士说。为了展示该方法的强大功能,作者提供了关于膜联蛋白(一种参与细胞膜修复的蛋白质)和质子 - 氯化物反向转运蛋白的新高分辨率数据,他们还报告了与其功能相关的结构变化。

除了允许研究人员在生理相关条件下研究生物分子外,新方法还有其他优点。例如,X 射线晶体学和冷冻电子显微镜依赖于大量分子的平均数据,但 AFM 可以生成单个分子的图像。“我们不是观察数百个分子,而是观察一个分子一百次并计算出高分辨率图,”Scheuring 博士说。

在单个分子执行其功能时对其进行成像可以开启全新的分析类型。“假设你有一个 [病毒] 刺突蛋白,它处于一种构象,然后它被激活并进入另一种构象,”Scheuring 博士说。

“原则上,当同一个分子从一种构象过渡到另一种构象时,您将能够计算出高分辨率图,而不是从一种或另一种构象中的数千个分子中计算出来。” 这种高分辨率的单分子数据可以提供更详细的信息,并避免在对许多分子的数据进行平均时可能出现的潜在误导性结果。此外,该地图可能会揭示精确重定向或中断此类过程的新策略。

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