科学家使用X射线敏感标签探查细菌 用于研发抗击疾病的下一代药物

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无论是透视人体内部、行李箱还是其他应用,大多数x射线扫描都是二维的。它们的工作原理是测量x射线通过一种材料的传输,就像牙齿的x射线。三维图像的信息量更大,可以进行计算机断层扫描,通常称为“CT扫描”。


标准的x光机最多只能提供几毫米的分辨率。然而,来自同步加速器的x射线提供了“看到”小得多的物体的可能性。同步加速器将电子加速到几乎光速,从而产生极亮的光。


这些特殊的x射线束可以窥视生物细胞或其他材料中的分子。生物分子对x射线几乎是看不见的,所以研究人员必须在被x射线照射时会发光的分子上贴上分子标签。


在这项研究中(JACS,“Lanthanide-Binding Tags for 3D X-ray Imaging of Proteins in Cells at Nanoscale Resolution”),科学家们使用了一种x射线敏感标签,该标签由一个微小的同步x射线束照亮,其截面比人类最细的头发还要小1000倍。利用这项技术,他们在单个大肠杆菌表面创建了一种膜蛋白的图像。

科学家使用X射线敏感标签探查细菌 用于研发抗击疾病的下一代药物

大肠杆菌的纳米x射线扫描。黄色代表膜蛋白,在x射线照射下,膜蛋白上附着一个特殊的标签。红色代表锌,锌对生殖很重要。


生物细胞被称为脂质双分子层的屏障包围着。这些屏障中的膜蛋白充当通道,允许离子、药物和其他分子进出细胞。这些通道通常是药物治疗的目标,在感染或癌症的情况下杀死细胞。这种新的x射线纳米视觉技术使科学家能够“看到”细胞膜蛋白质,并观察它们是如何运作的。


这些新的x射线纳米ct扫描将有助于发现广泛应用的新膜蛋白靶点,包括用于对抗疾病的下一代药物。科学家还可以利用扫描来研究电池、燃料电池和其他系统中膜的分子结构。这项技术将帮助研究人员了解在这些重要的能源技术中起作用的分子。


膜蛋白负责离子(包括钙、钠和钾)进出细胞。离子传输对于电池和类似的能源技术也是必不可少的。在生物系统中,离子运输的调节对所有生命和预防包括癫痫和囊性纤维化在内的广泛疾病都是重要的。


因此,膜蛋白是治疗此类疾病的药物靶点。例如,SARS-CoV-2病毒上的“刺突蛋白”是一种膜蛋白,是抗击冠状病毒的主要目标。为了观察细胞中的膜蛋白,科学家们使用了一种专门的显微镜,因为这种蛋白分子非常小,比人类的头发还要小一万倍。

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直到最近,同步x射线束才被造得足够小,能够完成这项任务。然而,一个主要的问题是蛋白质对x射线几乎是不可见的。


为了解决这个问题,科学家们已经采用了一种x射线敏感的“标签”——一种被x射线照射就会发光的示踪分子——并将其与一种膜蛋白融合,这样就可以用微小的x射线束来观察。利用国家同步加速器光源II (nssls -II)和先进光子源(Advanced Photon Source)的纳米x射线束,研究人员获得了有史以来最高分辨率的细胞膜蛋白CT扫描。


由于这些标记与膜蛋白的融合遵循简单的生物化学实验室规程,同步纳米ct可能成为广泛应用的纳米级细胞中多种不同蛋白质三维成像工具。


此外,由于x射线具有很强的穿透能力,这种方法可以扩展到对实验室培养皿中的单个细胞进行成像,从而研究自然组织环境中的细胞。


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