冻结帧：科学家捕获人造蛋白质的原子级快照

 
类肽纳米片是由类肽链的自发堆叠成平行行制成的单层晶体。漂浮在水中的单个纳米片迅速冷冻并通过低温电子显微镜(cryo-EM)成像，以揭示其原子结构。使用计算机建模使拟肽结构适合成像数据。确定了类肽的单个原子位置，使研究人员可以直观地观察其分子形状和晶格内的组织。直接观察到侧链上不同的溴原子(品红色)。图片来源：Berkeley Lab称为“多肽类”(简称“类肽”)的类蛋白质分子具有广阔的前景，可作为制造各种设计器纳米材料的精密构件，例如柔性纳米片，超薄素，原子级二维材料。他们可以低成本推广许多应用，例如合成的，疾病特异性抗体和自修复膜或组织。
但是，要了解如何实现这些应用，科学家需要一种方法来放大类肽的原子结构。在材料科学领域，研究人员通常使用电子显微镜达到原子分辨率，但像拟肽这样的柔软材料会在电子束的刺眼眩光下分解。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的科学家采用了一种技术，该技术利用电子的力量来可视化软材料的原子结构，同时保持其完整。
他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上，首次证明了冷冻-EM(低温电子显微镜)技术(最初设计用于对溶液中的蛋白质成像)是一种诺贝尔奖获得者，可用于成像原子。合成软材料的变化。他们的发现对2-D材料的合成具有广泛的应用意义。
尼塔什·巴尔萨拉(Nitash Balsara)表示：“我们接触的所有材料都是由于原子在材料中的排列方式而起作用的。但是，我们不了解类肽的知识，因为与蛋白质不同，许多软合成材料的原子结构凌乱且难以预测。是伯克利实验室材料科学系的高级教职科学家，也是加州大学伯克利分校的化学工程教授，他共同领导了这项研究。 “而且，如果您不知道原子在哪里，那您就瞎了。我们使用cryo-EM对类肽进行成像，将为在原子尺度上设计和合成软材料开辟一条清晰的道路。”
仔细研究软材料
在过去的13年中，Balsara一直致力于通过伯克利实验室的“软物质电子显微镜计划”在原子尺度上对软材料进行成像。在当前的研究中，他与伯克利实验室分子铸造所的高级科学家罗纳德·扎克曼(Ronald Zuckermann)携手，他在大约30年前首次发现了类肽，以寻找新的聚合物-这种材料是由长而重复的小分子单元链组成的，称为“单体” -用于靶向药物治疗。
“这项研究来自伯克利实验室多年的研究。制造一种材料并看到原子-这是我职业的梦想，”与巴尔萨拉共同领导这项研究的扎克曼说。
与大多数合成聚合物不同，类肽可以具有精确的单体单元序列，这是生物聚合物(如蛋白质和DNA)的共同特征。
与天然蛋白质一样，类肽可以生长或自组装成具有特定功能的不同形状，例如螺旋，纤维，纳米管或薄而扁平的纳米片。
但与蛋白质不同，类肽的分子结构通常是无定形且不可预测的，就像一堆湿面条。长期以来，弄清这种不可预测的结构一直是材料科学家的障碍。
用cryo-EM固定类肽
因此，研究人员转向了冷冻电磁技术，该技术可在约80开尔文(或316华氏度)下以微秒的速度对类肽进行速冻。 cryo-EM的超冷温度锁定在薄板的结构中，并且还防止电子破坏样品。
为了保护柔软的材料，cryo-EM使用的电子少于常规电子显微镜，从而产生了鬼影的黑白图像。为了更好地记录原子级发生的情况，拍摄了数百张这样的图像。先进的数学工具将这些图像组合在一起，以制作出更详细的原子级图片。
对于这项研究，研究人员在溶液中由短类肽聚合物制成了纳米片，该类肽聚合物由六种称为“芳香族化合物”的疏水单体链与四种亲水性聚醚单体连接而成。亲水或“憎水”单体被溶液中的水吸引，而疏水或“憎水”单体避免水进入，使分子定向以形成仅一分子厚(约3纳米)的晶体纳米片。 ，即一米的十分之一)。
主要作者，材料科学部的博士后研究员玄婷(Sunting Xuan)合成了类肽纳米片，并在伯克利实验室的高级光源(ALS)中使用了X射线散射技术来表征其分子结构。 ALS产生各种波长的光，以便能够研究样品的纳米级结构和化学性质以及其他特性。
材料科学部的项目科学家Xi Jiang捕获了高质量的图像，并开发了在类肽成像中实现原子分辨率所需的算法。
Molecular Foundry的资深研究员和临时总监David Prendergast对类肽中的原子取代进行了建模，Molecular Foundry的博士后研究员Nan Li进行了分子动力学模拟，以建立纳米片的原子尺度模型。
团队发现的核心是他们在材料合成和原子成像之间快速迭代的能力。类肽合成的精确度，加上研究人员能够使用cryo-EM直接成像原子位置的能力，使他们能够在原子水平上设计类肽。令他们惊讶的是，当他们创建了类肽单体序列的几个新变体时，纳米片的原子结构发生了非常有序的变化。
例如，当一个额外的溴原子加到每个芳环上时，每个类肽分子的形状保持不变，但行之间的间隔增加恰好足以容纳额外的溴原子。
此外，当对类肽纳米片结构的四个其他变体进行成像时，研究人员注意到其原子结构具有显着的均匀性，并且纳米片共享相同形状的类肽分子。扎克曼说，这使他们可以预见地设计纳米片结构。
巴尔萨拉说：“在软材料中对原子级进行如此大的控制是完全出乎意料的，”因为假设当蛋白质具有特定的单体序列时，只有蛋白质才能形成定义的形状，例如氨基酸。
团队采用新材料
在将近40年的时间里，伯克利实验室将电子显微镜的边界推到了曾经被认为无法用电子束探索的科学领域。伯克利实验室的科学家们的开拓性工作在2017年诺贝尔化学奖中也起了关键作用，该奖表彰了cryo-EM的开发。
巴尔萨拉说：“大多数人会说，不可能开发一种能够定位并看到软材料中单个原子的技术。” “解决此类难题的唯一方法是与跨学科的专家合作。在伯克利实验室，我们作为一个团队工作。”
Zuckermann补充说，当前的研究证明cryo-EM技术可以应用于各种常见的聚合物和其他工业软材料，并且可以导致一类新的软纳米材料折叠成具有蛋白质样结构的蛋白质样结构功能。
他说：“这项工作为材料科学家解决了使人造蛋白质成为现实的挑战提供了条件，”他补充说，他们的研究还使该团队致力于解决各种令人兴奋的问题，并“提高人们对他们的认识。同样，也可以开始使用这些低温电磁技术研究其柔软材料的原子结构。”