石墨烯與全像電子顯微鏡 實現單一蛋白質攝像

2021-01-16 石墨烯聯盟

　　隨著資訊時代的到來，我們越發渴望新的知識、新的技術，對神經功能障礙、喪失長期記憶也越發恐懼。阿茲海默症又稱腦退化症，便是大腦 β-amyloid 和 Tau 蛋白質結構異常所造成的疾病，致使認知能力與身體機能逐步惡化，最終甚至導致死亡。不過，最新的蛋白質攝像技術或許能突破過往的界限，從根本研究蛋白質結構。


　▲ 正常大腦（左）與阿茲海默症患者大腦（右）。（Source：wikipedia）

　　目前的蛋白質攝像使用 X 光散射晶體學（X-ray crystallography），先將蛋白質集結製成晶體後，再以 X 光散射圖觀察晶體之電子密度分布，最後分析得到各原子的位置與彼此的化學鍵強弱。


▲ X 光散射晶體學流程圖。

　　但 X 光散射晶體學觀察的畢竟是無數蛋白質分子製成之結晶，求得的結果也只是平均值，難免不慎清晰；況且有許多蛋白質無法形成結晶，其中包括在生物體內十分重要的膜蛋白類。於是，瑞士蘇黎世大學的 Longchamp 博士與其研究團隊著手研發拍攝單一蛋白質影像的方法。

　　單一蛋白質攝像有 3 個主要的挑戰：首先，與以往結晶散射不同的是，我們得將單一分子的蛋白質分離純化，以便後續觀測。然後，我們需要能夠固定這一分子蛋白質的技術，爭取足夠時間解析其構造。最後，用以攝像的輻射能量不可過高，以免導致蛋白質分解，波長又必須短到足以呈現蛋白質的細部結構——這時，低能全像電子顯微鏡便派上用場了。


▲ 低能全像電子顯微鏡攝像原理。

　　低能全像電子顯微鏡的優點，在於其低能電子不傷害蛋白質，然而這些低能電子的穿透力也較弱，唯有將蛋白質溶液噴灑在石墨烯（graphene）薄層才得以觀測。石墨烯是由碳原子組成的超薄材質，只有一層原子的厚度卻能像塑膠一樣摺疊，而且比鑽石強韌，導電力優於銅與金；它的發現讓Geim與Novoselov於 2010 年獲得諾貝爾物理獎。

　　

　　▲ 石墨烯的原子結構示意圖。

　　有了單一蛋白質的攝像技術，在不久的未來我們將可以解析先前無法結晶的蛋白質，也能更精準地從多方面研究蛋白質構造。或許，阿茲海默症、帕金森氏症等蛋白質結構異常的疾病的研究，將因此突破至新境地，為諸多病友帶來希望曙光。


▲ 左右分別為兩顆不同的血紅素（hemoglobin）蛋白。a：全像投影。b：數值重建之構型。c：蛋白質可能的方位。


來源：搜狐（文章來源於網絡，並不代表本聯盟觀點，僅供大家閱讀～）

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