在首次“电子摄像”演示中，研究人员捕捉到了细胞膜中蛋白质和脂质之间微妙舞蹈的微观动态图像。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员和佐治亚理工学院的合作者表示，该技术可用于研究其他生物分子的动力学，突破了显微镜只能看到固定分子静态图像的限制。

电子摄像捕捉蛋白质和脂质之间的移动舞蹈

研究负责人、伊利诺伊州材料科学与工程学教授陈钱说：“我们不仅仅只拍摄单一快照(只提供结构，但不提供动态)，而是持续记录水中分子的自然状态。”“我们确实可以看到蛋白质如何改变其构型，在这种情况下，整个蛋白质-脂质自组装结构如何随着时间的推移而波动。”

电子显微镜技术在分子或原子尺度上成像，产生详细的纳米尺度图片。然而，他们通常依赖于已冻结或固定在适当位置的样本，让科学家们试图推断分子如何移动和相互作用，就像试图从单帧电影中绘制舞蹈序列的编排一样。

该研究的通讯作者、佐治亚理工学院教授阿迪蒂·达斯(AditiDas)表示：“这是我们第一次在个体规模上观察蛋白质，而且还没有冷冻它或对其进行标记。”“通常，我们必须结晶或冷冻蛋白质，这对捕获柔性蛋白质的高分辨率图像提出了挑战。或者，一些技术使用我们跟踪的分子标签，而不是观察蛋白质本身。在这项研究中，我们看到蛋白质本身，在液体环境中的行为，并观察脂质和蛋白质如何相互作用。”

研究人员通过将新型水基透射电子显微镜方法与详细的原子级计算模型相结合来实现视频拍摄。水基技术涉及将纳米级液滴封装在石墨烯中，这样它们就可以承受显微镜运行时的真空。将所得视频数据与分子模型进行比较，分子模型显示物体如何根据物理定律移动，不仅有助于研究人员解释而且验证他们的实验数据。

该论文的第一作者约翰·W·史密斯(JohnW.Smith)在伊利诺伊州读研究生时完成了这项工作，他说：“目前，这确实是拍摄这种随时间变化的运动的唯一实验方法。”“生命存在于液体中，并且处于运动状态。我们正试图以实验的方式了解这种联系的最细节。”

在这项新研究中，研究人员首次发表了电子摄像技术的演示，研究人员检查了脂质膜的纳米级圆盘以及它们如何与通常在细胞膜表面或嵌入细胞膜中发现的蛋白质相互作用。

“膜蛋白位于细胞之间以及细胞内部和外部之间的界面，控制着什么进出，”史密斯说。“它们是医学的压倒性目标;它们参与各种过程，例如我们的肌肉如何收缩、我们的大脑如何工作、免疫识别;它们将细胞和组织固定在一起。膜蛋白工作原理的所有复杂性都来自于不仅是它自己的结构，还有它如何经历周围的脂质。”

电子摄像使研究人员不仅可以看到整个脂质-蛋白质组装体如何移动，还可以看到每个组件的动态。研究人员发现纳米圆盘内有不同的区域，并且比预期的波动更大，稳定性也更高。

史密斯说，虽然人们通常认为膜蛋白运动的影响仅限于直接围绕其的脂质分子，但研究人员在更大范围内发现了更剧烈的波动。波动呈现出手指般的形状，就像溅在墙上的粘液一样。然而，即使在如此剧烈的运动之后，纳米圆盘也会恢复到其正常结构。

史密斯说：“事实上，我们看到了这些结构域，并且看到它从这些过程中恢复，这表明蛋白质和膜之间的相互作用实际上比大多数人普遍认为的范围更大。”

研究人员计划使用他们的电子摄像技术来研究其他类型的膜蛋白以及其他类别的分子和纳米材料。

“我们可以使用这个平台研究打开和关闭的离子通道以调节流动和细胞间相互作用，”陈说。

陈谦还隶属于化学系、贝克曼先进科学技术研究所、卡尔伊利诺伊大学医学院和伊利诺伊州材料研究实验室。