细胞内纳米机械的新三维观察

IRB Barcelona的研究人员将基因工程，超分辨率显微镜和生物计算结合起来，让他们能够在3D中看到活细胞内的蛋白质机制。该研究发表在Cell杂志上，揭示了对动物和植物至关重要的蛋白质组装的关键功能特征。有了这一新策略，就有可能研究健康和疾病中的细胞蛋白质机制。

研究人员在Cell上进行了一项研究，他们能够首次在活细胞和3D中观察蛋白质纳米机器，这是负责细胞功能的结构。这项工作是与瑞士日内瓦大学和塞维利亚Centro AndaluzdeBiologíadelDesarrollo的研究人员合作完成的。

目前，研究蛋白质纳米机器功能的生物学家将这些复合物分离到试管中，与细胞分离，然后应用体外技术，使它们能够观察到它们的结构直至原子水平。或者，他们使用的技术允许在活细胞内分析这些复合物，但几乎没有结构信息。在这项研究中，科学家们设法直接观察活细胞中蛋白质机制的结构，同时它正在执行其功能。

“现有的体外技术非常出色，可以让我们在原子水平上进行观察，但所提供的信息是有限的。如果我们将它拆开并且仅查看各个部分，我们将无法知道发动机是如何工作的。我们需要看到发动机装配在汽车上并运行。在生物学方面，我们仍然没有工具来观察活细胞的内部运作，但我们开发的技术是朝着正确方向迈出的一步，我们现在可以看到， 3D，蛋白质复合物如何发挥其功能，“IRB巴塞罗那研究员Oriol Gallego解释道。

新战略汇集了超分辨率显微镜的方法，这一发现得到了2014年诺贝尔化学奖，细胞工程和计算建模的认可。该技术允许观察蛋白质复合物，精确度为5 nm，分辨率“比超分辨率提供的分辨率高4倍，这使我们能够进行以前不可行的细胞生物学研究，”Gallego解释说。

研究人员对细胞进行遗传修饰，以便在其内部构建人工支持物，从而可以锚定蛋白质复合物。这些支撑物以这样的方式设计，即允许它们调节观察固定的纳米机械的角度。为了确定蛋白质复合物的3D结构，他们使用超分辨率技术测量不同组分之间的距离，然后将它们整合到类似于GPS使用的过程中。

Gallego已经使用这种方法来研究胞吐作用，这是细胞用于与细胞外部通信的机制。例如，神经元通过胞吐作用释放神经递质而相互通信。这项研究让科学家们揭示了胞吐作用中关键纳米机器的整个结构，直到现在才是一个谜。“我们现在知道这种由八种蛋白质组成的机器如何发挥作用以及每种蛋白质的重要​​作用。这些知识将有助于我们更好地理解胞吐作用在癌症和转移中的作用，这种纳米机器被改变的过程，”他解释道。

了解纳米机器如何实现其细胞功能具有生物医学意义，因为内部运作的改变可导致疾病的发展。有了这一新策略，就有可能研究健康和疾病中的细胞蛋白质机制。例如，有可能看到病毒和细菌在感染过程中如何使用蛋白质纳米机器，并更好地了解导致疾病的复合物中的缺陷，以设计逆转它们的新治疗策略。

该技术可用于相对较大的复合物。“能够看到5纳米的蛋白质复合物是一项伟大的成就，但是在体外技术允许的原子尺度上观察细胞内部还有很长的路要走，”Gallego说。“但是”，他继续说道，“我认为未来在于整合各种方法并结合每种方法的力量”。

五年多来，Oriol Gallego通过经济和竞争力部颁发的RamónnyCajal研究员合同，在巴塞罗那IRB的分子医学项目中开发了这个项目，并将很快结束。Gallego已经在和德国排列了两个研究位置，以了解有关集成显微技术的更多信息。“之后，我想继续在巴塞罗那进行顶级研究，我希望这项已发表在Cell上的研究能帮助我做到这一点，”这位年轻的研究人员表示，他的研究重点是蛋白质复合物生物学和开发“使隐形可见”的技术。

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