氣液界面的電荷性質決定冷凍電鏡蛋白質取向優勢

　　中國科學院生物物理研究所研究員章新政課題組在Journal of Structural Biology上，在線發表了題為Effect of charge on protein preferred orientation at the air-water interface in cryo-electron microscopy的冷凍電鏡方法學研究論文。該研究首次提出電荷相互作用是蛋白顆粒吸附于氣液界面并導致取向優勢的主要因素，為克服氣液界面導致的冷凍制樣問題提供了新思路。

　　冷凍電鏡三維重構需要蛋白質在冷凍制樣時取向隨機地分布在非晶冰中，然而氣液界面常常導致蛋白質，尤其是可溶性蛋白質在非晶冰中出現優勢取向分布，嚴重情況下使得三維數據不完整，無法進行重構。該問題是目前單顆粒冷凍電鏡技術對蛋白質進行結構解析時易遇到的瓶頸問題。前期研究表明，氣液界面具有疏水性，可使處于氣液界面上的蛋白質變性。因此，氣液界面往往被認為通過疏水相互作用吸附部分變性的蛋白質，從而導致優勢取向問題。

　　課題組博士生李不凡針對冷凍電鏡三維重構中常見的蛋白質優勢取向問題開展機制研究，發現蛋白質吸附于氣液界面，其取向由氣液界面攜帶的電荷控制（如圖）。常規的冷凍制樣中氣液界面攜帶負電荷，負電荷對蛋白質的吸附導致了蛋白質分布的取向優勢。研究還發現，通過運用帶正電的去污劑調制氣液界面的電荷性質，可以引入蛋白質新的取向數據，實現蛋白質取向問題的改善。該工作提出了電荷相互作用是許多蛋白質吸附于氣液界面的主要因素，為克服氣液界面導致的冷凍制樣問題提供了新思路。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會重點項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院基礎前沿科學重點研究計劃項目的支持。

　　蛋白質通過布朗運動至氣液界面附近，被由帶負電的氣液界面形成的勢阱捕獲的示意圖。捕獲的過程為蛋白質的旋轉使其在勢阱中的能量最低。最低能量狀態決定優勢取向分布。