使用分子饼干切割机观察膜蛋白组织

包围生物细胞的膜不仅仅是一个屏障;它也是一个屏障。它充满了参与各种关键生物功能的蛋白质。为了真正了解膜蛋白的作用和作用，研究人员需要知道它们是如何组织的以及它们如何相互作用。但揭示这些信息具有挑战性。

耶鲁大学的研究人员现已开发出一种名为Native-nanoBleach的新显微镜方法，该方法克服了理解膜蛋白组织的主要挑战，包括在不破坏天然环境的情况下研究这些膜的困难以及通常用于研究它们的光学显微镜的分辨率的限制。

为了证明新方法的有效性，他们成功地将其应用于一个生物学难题，即涉及胰腺癌发展的蛋白质以及如何针对它们进行治疗，该难题几十年来一直悬而未决。

他们在《自然纳米技术》上发表的一项新研究中描述了这种新方法及其优点。

药理学助理教授MoitrayeeBhattacharyya表示，膜蛋白组织研究中通常使用的方法需要去除蛋白质周围的天然膜环境，然后将感兴趣的分离蛋白质放入模拟但不完全复制真实细胞膜复杂性的环境中。耶鲁大学医学院的教授，也是该研究的资深作者。巴塔查亚说，这种方法消除了重要的背景，因为蛋白质与周围的分子相互作用。

其次，通常用于观察蛋白质组织的光学显微镜不具备确定彼此靠近的蛋白质是否真正相互作用或只是膜上的邻居所需的分辨率。

最后，对于当前的研究方法来说，细胞膜中发现的特定蛋白质的含量可能太低或太高。在这种情况下，研究人员必须做出调整;他们要么必须复制自然状态下数量太少的蛋白质，要么从数量太多的样品中分离出蛋白质。但这又会消除蛋白质在细胞膜中发挥作用时的自然状态的重要背景。

“理想情况下，我们将拥有一种适用于任何内源水平的细胞膜蛋白表达的方法，”Bhattacharyya说。

为了解决第一个挑战，研究人员使用特定的分子(即聚合物类型)从根本上冲出蛋白质复合物，而周围的细胞膜完好无损。“这就像细胞膜是一张饼干面团，而聚合物是饼干模具，”巴塔查亚说。

这些带有细胞膜的蛋白质片段被称为天然纳米盘，直径约为10纳米，小到纳米盘中包含的任何蛋白质都可能相互作用，这解决了第二个挑战。此外，这种方法适用于任何数量的任何细胞膜蛋白，使研究人员能够观察天然膜中天然水平的蛋白质。

一旦纳米圆盘生成，研究人员就可以使用任意数量的常用技术来研究特定的目标蛋白质。然后，他们借助附着在纳米圆盘上的荧光分子来量化每个纳米圆盘中的蛋白质。

Bhattacharyya表示，这种方法无需专用硬件即可提供高空间分辨率。

该论文的共同第一作者、研究生杰拉德·沃克(GerardWalker)表示：“这项工作提出了一种新技术，用于了解膜蛋白(约占药物靶标的60%)如何组装成天然脂质双层上或内部的功能单元。”在Bhattacharyya的实验室里。

为了演示如何应用这种方法，研究人员在生物学领域进行了长达数十年的争论。一种名为KRas的蛋白质在超过90%的人类胰腺癌中发生突变，引发了巨大的临床和治疗兴趣。KRas亚基是否在细胞膜上聚集形成二聚体(两个单位)或寡聚体(两个以上单位)仍然是长期研究的焦点。

然而，研究得出了相互矛盾的结果。缺乏详细分子分辨率的动物和细胞研究表明，KRas单元在细胞膜上聚集在一起。与此同时，生物物理分析不保留蛋白质周围的天然膜，发现KRas仍以单个单位或单体形式存在。

“通过我们的方法，我们可以两全其美，”Bhattacharyya说。“我们保留了天然的膜环境，并且具有非常高的空间和单分子分辨率。当我们应用我们的方法时，我们发现KRas以相似数量的二聚体和单体形式存在。但是当KRas发生突变时，如在胰腺癌中，二聚体增加而单体减少。”

这一发现强调了天然细胞膜对于理解膜蛋白的重要性，并确定了癌症治疗的目标——减少KRas二聚化。Bhattacharyya说，这只是该方法可用于了解膜蛋白组织在疾病中的作用的多种方法之一。

该研究的共同第一作者、该研究的博士生CarolineBrown表示：“看到Native-nanoBleach已经成功应用于Bhattacharyya实验室及其他实验室解决各种紧迫的生物学问题，真是令人欣慰。”合著者、细胞生物学助理教授KallolGupta实验室的候选人。

Bhattacharyya说，膜蛋白占人体所有蛋白质的三分之一，这种方法可用于研究其中的任何一种。

“这是一项通用技术，”她说。“真的没有限制。”

展望未来，Bhattacharyya和她的同事希望将这种方法扩展到研究细胞内各种细胞器和结构(如线粒体)膜中的蛋白质组织。

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