传统电子断层重构技术,需要旋转样品台,过程非常麻烦

来源:DeepTech深科技

(来源:课题组)

张新政说：“传统的电子断层重构技术，需要旋转样品台，过程非常麻烦。由于旋转样品台的介入，原本只需要拍一张照片，需要从不同的角度收集照片。最后，可能需要一共收集 60 一天采集的单颗粒数据量断层方法需要一张照片 30-40 天，数据采集效率很低。“这项研究摒弃了电子断层重构，可以在单张照片中直接定位蛋白质，然后在此基础上重构，只需要 1 工作可以在一天内完成。

简单地说，低温电子断层扫描是研究蛋白质复合物结构的主要工具。然而，倾斜系列图像数据收集的通量仍然相当低。研究小组成员设计了它 isSPA，并在此工作中与北理工张法、万晓华合作， GPU 目标蛋白复合物可以在细胞切片中定位，并在近原子分辨率下重建蛋白复合物。

倾转系列图像和断层重构不需要采集，GisSPA 对于低丰度蛋白质复合物来说，实现高通量的数据收集是非常重要的。

本研究分别分析了细胞层中红藻的藻胆和光系统 II 复合结构的分辨率分别达到 3.4 埃和 3.9 埃。研究表明，他们的发展 GisSPA 该技术有助于直接测定细胞中的高分辨率蛋白质结构。

图丨GPU 加速和优化 (来源：Nature Communications)

研究人员得到了一个 3.9 光系统的埃分辨率 II（photosystem II, PSII）复合物的重建。此前，研究人员报告了二维投影匹配中的模型偏差效应，肺炎双球菌细胞中核糖体的分辨率较高。而运用 GisSPA 分析程序可以得到更准确、更合理的结果，并通过比较发现 GisSPA 解析的 70S 整体结构无模型偏差。

该研究进一步提到，假阳性探测颗粒会在探测函数使用的频率范围内产生模型偏差效应，从而降低重构的分辨率。因此，有必要去除高分辨率结构的假阳性探测。由于在高于 1/8Å-1 信噪比相对较低，排序方法不需要包括在粒子定位中的信号。因此，频率高于 1/8Å-1 二维投影匹配计算一般不推荐信号。

图丨通过 GisSPA 解析红藻的 PSII 核糖体复合物和肺炎支原体 (来源：Nature Communications)

GisSPA 目标蛋白的检测效率主要受分子量和样品厚度的影响。因此，扩大 GisSPA 还需要优化细胞切片样品的制备方法。

GisSPA 原位结构系统非常有效，分子量越大，效果越好。对于未来的研究计划，张新政表示，一方面希望实现对小分子量分子原位结构的分析；另一方面，数据采集的效果将通过提高细胞切片的质量来提高。

参考资料：

1.Cheng, J., Liu, T., You, X. et al. Determining protein structures in cellular lamella at pseudo-atomic resolution by GisSPA. Nature Communications 14, 1282 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36175-y.

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