新技术将彻底改革蛋白质等重要生物分子的可视化

　　

   

   

Shaopeng Wang 是亚利桑那州立大学生物电子和生物传感器生物设计中心以及生物与卫生系统工程学院的一名研究员。

蛋白质可能是生命系统中最重要和最多样的生物分子。这些氨基酸链具有复杂的三维形态，对于组织的生长和维持、数千种生化反应的启动以及通过免疫系统保护身体免受病原体侵袭都是必不可少的。它们在健康和疾病方面发挥核心作用，是药物的主要目标。

为了充分了解蛋白质及其无数的功能，研究人员已经开发了复杂的手段，通过先进的显微镜观察和研究它们，改进了光探测、成像软件和先进硬件系统的集成。

在一项新的研究中，通讯作者Shaopeng Wang和他在亚利桑那州立大学的同事描述了一项新技术，该技术有望彻底改变蛋白质和其他重要生物分子的成像，允许这些微小实体以前所未有的清晰度和比现有方法更简单的方法被可视化。

Wang说:“我们在这项研究中报道的方法使用普通盖玻片代替镀金盖玻片，这与我们之前报道的无标签单蛋白成像方法相比有两个优势。它可以与荧光成像进行原位交叉验证，减少了可能对生物样品造成伤害的光致加热效应。张鹏飞是我团队中优秀的博士后研究员，是这个项目的技术负责人。”

他在生物电子和生物传感器生物设计中心和生物与卫生系统工程学院担任联合教职。该小组的研究结果发表在最新一期的《自然通讯》杂志上。

这种新方法被称为倏逝散射显微镜(evanescent scattering microscopy，ESM)，它基于一种被称为全内反射的光学特性，这种光学特性在古代首次被发现。当光从高折射率介质(如玻璃)进入低折射率介质(如水)时，就会发生这种现象。

当入射光的角度远离垂线(相对于表面)时，最终会达到“临界角”，导致所有入射光都被反射，而不是穿过第二种介质。(为了正确地照射生物样本，使用了激光。)

完全的内部反射产生一个消失场，当这些分子附着在玻璃盖上时，它可以激发玻璃-水界面的细胞或分子，比如蛋白质，使研究人员能够以惊人的细节可视化它们。

以前的方法通常用荧光标记感兴趣的生物分子，即荧光团，以便更好地成像。这个过程会干扰观察到的微妙的相互作用，并且需要繁琐的样品制备。ESM技术是一种无标签的成像方法，不需要对样品载玻片进行荧光染料或金涂层。

相反，这种方法利用了覆盖玻璃表面的细微的不规则性，从而产生了非常鲜明的对比。这是通过成像由单分子样品和覆盖玻璃的粗糙纹理散射的倏逝光的干涉来实现的。

利用倏逝波散射可以在极浅的深度(通常<100微米)探测包括蛋白质在内的样品。这使得ESM能够创建一个光学切片，其尺寸相当于一个薄的电子显微镜切片。

这项新研究描述了使用ESM检测四种模型蛋白:牛血清白蛋白(BSA)、小鼠免疫球蛋白G (IgG)、人免疫球蛋白A (IgA)、人免疫球蛋白M (IgM)。

蛋白质之间的相互作用，包括单个蛋白质的快速结合和分离，在一系列实验中被观察到。了解这种结合动力学对于设计更安全、更有效的药物至关重要。研究人员还使用ESM敏锐地观察了DNA构象的变化，进一步证明了这种新方法的威力和多功能性。

Evanescent Scattering Imaging of Single Protein Binding Kinetics and DNA Conformation Changes