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    石墨烯載網:掀起大國電鏡“小分子高分辨”革命

    日期:2024-02-18 10:52:47    作者:綜合管理部    瀏覽量:331 次

    蛋白質在基本細胞活動中扮演著重要角色,隨著蛋白質測序技術的發展,越來越多的蛋白質序列被人們發現。相較于蛋白質序列的研究,對蛋白質結構的研究一直處于循序漸進的推動階段。


    冷凍透射電子顯微鏡是結構生物學中關于蛋白質結構研究的最新技術利器,其首次在原子分辨率水平上解析了蛋白結構,改變了結構生物學的“游戲規則”。近日,首臺國產商業場發射透射電子顯微鏡正式發布,打破了國內透射電子顯微鏡完全依賴進口的局面,由此衍生的關于其零部件及耗材的國產化問題,引發社會廣泛關注。


    石墨烯電鏡載網 更銳利的“眼睛”


    蛋白質結構解析的發展過程好比相機的演變:開始用膠片,成像非常慢,后來換了CCD(電荷耦合元件),雖然成像速度快,但需要把電子信號轉換為數字信號,信噪比差,損害了分辨率。當時科學家預言,如果能夠利用電子束這種最直接的探測方式,可以將信噪比提高幾個數量級。于是,美國和英國的科學家用了近20年,終于做出能直接感受電子的探測器。擁有了電子探測器后,接收數據的過程變得很快,收集到的結構影像不再是一幀一幀的照片,而是連續性的“電影”。冷凍透射電子顯微鏡所具備的優勢,便是其有了電子探測器的緣故。


    G蛋白是人體內最大的蛋白質家族,超過800個,在細胞信號傳導中發揮著“傳感器”作用,針對它的解析,是攻克惡性腫瘤“靶向藥”的主要靶點。在人體800多個G蛋白靶點中,僅有134個被開發,其開發水平與現階段蛋白質的解析水平息息相關。


    冷凍透射電鏡載網是其重要耗材,是決定蛋白質解析水平的重要一環。此前,冷凍電鏡載網的市場幾乎被國外壟斷,且利用現有電鏡載網的制樣技術存在一系列問題:由于氣液界面導致蛋白往往容易吸附在碳膜孔洞的邊緣位置,造成測試樣品過少;或被吸附到氣液界面的表面,形成優勢取向,成像單一;樣品暴露在空氣外,容易產生樣品變性;制樣過程中冰層過厚,導致背景噪聲太強,影響解析結果等。


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    BGI研制的單層石墨烯電鏡支撐膜(石墨烯電鏡載網)是冷凍電鏡表征制樣的升級方案,通過在傳統載網表面引入單原子層厚度的高品質單晶石墨烯薄膜,有效負載生物大分子、單原子、納米顆粒等樣品。單層石墨烯電鏡支撐膜幾乎無背景噪聲,能有效緩解氣液界面、優勢取向、冰層不均、樣品位移等問題,提升成像襯度,富集樣品濃度,進而方便用戶實現高分辨率成像及結構解析。


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    與其他蛋白解析手段相比,利用石墨烯透射電鏡載網有著不可比擬的優勢:


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    高分辨率前進一小步 人類難題解析一大步


    得益于石墨烯電鏡載網支撐膜,BGI為全球結構生物學研究及生物制藥領域帶來了全新的研發思路,清華大學的王宏偉等國際一流結構生物學家的團隊均開始使用石墨烯電鏡載網進行一系列前沿蛋白探索。


    目前,BGI石墨烯電鏡支撐膜已經與清華大學/北京生物結構前沿研究中心、上??萍即髮W生命科學與技術學院、新加坡國立大學化學院、德國奧斯納布呂克大學生物物理系等著名高校開展合作,并取得階段性成果。

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    此外,BGI利用4英寸石墨烯晶圓生長出粗糙度低、均一性好、褶皺較少的單晶石墨烯薄膜,轉移至冷凍透射電鏡載網上,可形成新型超平整石墨烯載網。這種載網的解析質量更高,目前已經應用于多種小蛋白解析,例如streptavidin(鏈霉親和素蛋白,52kDa)、hemoglobin(血紅蛋白,64kDa)和α-fetoprotein(甲胎蛋白,67kDa),分別實現2.2A、3.5A和2.6A的高分辨率結構重構。


    基于BGI石墨烯冷凍電鏡支撐膜的載網,目前已經助力生命科學領域解析了很多曾經難以解析的蛋白,為人類帶來了革命性、跨越性的變化。BGI也將基于自身在石墨烯領域多年的研發經驗,充分發揮石墨烯的材料特性,為國產冷凍電鏡技術的發展增添助力。


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