[论文解读] 4D Liquid-phase Electron Microscopy of Ferritin by Brownian Single Particle Analysis

Gabriele Marchello, Cesare De Pace+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2019

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文提出布朗运动单颗粒分析（BSPA）用于4D液相电镜，通过布朗运动的单颗粒平均，实现实时追踪溶液中铁蛋白的动力学。与冷冻电镜需数小时采集相比，BSPA将采集时间缩短至秒级，可捕捉构象变化、溶剂化动力学及热涨落，为动态结构生物学奠定基础。

ABSTRACT

Protein function and activity are a consequence of its three-dimensional structure. Single particle analysis of cryogenic electron micrographs has radically changed structural biology allowing atomic reconstruction of almost any type of proteins. While such an approach provides snapshots of three-dimensional structural information that can be correlated with function, the new frontier of protein structural biology is in the fourth dimension, time. Here we propose the use of liquid phase electron microscopy to expand structural biology into dynamic studies. We apply here single particle analysis algorithm to images of proteins in Brownian motion through time; thus, Brownian single particle analysis (BSPA). BSPA enables to reduce the acquisition time from hours, in cryo-EM, to seconds and achieve information on conformational changes, hydration dynamics, and effects of thermal fluctuations. Yielding all these previously neglected aspects, BSPA may lead to the verge of a new field: dynamic structural biology.

研究动机与目标

• 通过捕捉蛋白质中的动态过程，将结构生物学拓展至第四维——时间。
• 克服冷冻电镜的局限性，后者仅提供静态快照且需数小时采集。
• 开发一种方法，实现在不冷冻的情况下对溶液中的蛋白质实现高速、时间分辨成像。
• 研究布朗运动、热涨落及溶剂化对蛋白质结构与动力学的影响。
• 建立基于液相电镜的动态结构生物学新框架。

提出的方法

• 利用液相电镜（LP-EM）实时成像水溶液中的铁蛋白颗粒。
• 对经历布朗运动的蛋白质图像应用单颗粒分析（SPA），将每一帧视为不同取向或构象的快照。
• 通过时间序列中单个颗粒图像的计算配准与平均，提升信噪比。
• 利用颗粒在溶液中的自然扩散与旋转，快速采样多种构象。
• 整合时间分辨数据，重构4D结构信息（3D结构+时间演化）。
• 通过统计分析，从瞬态颗粒图像中提取构象变化、溶剂壳动力学及热涨落信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 单颗粒分析能否适配于液相电镜中处于布朗运动的蛋白质，以提取动态结构信息？
• RQ2 与冷冻电镜相比，该方法在时间分辨率和结构保真度方面能达到何种水平？
• RQ3 热涨落与溶剂化动力学如何影响铁蛋白颗粒中观察到的结构异质性？
• RQ4 能否使用该方法实时解析铁蛋白的构象变化？
• RQ5 在动态结构研究中，将布朗运动作为构象采样来源，其优缺点为何？

主要发现

• BSPA将采集时间从冷冻电镜的数小时缩短至秒级，实现蛋白质动力学的实时观测。
• 该方法成功捕捉到由热涨落和布朗运动引起的铁蛋白颗粒构象变化。
• 通过颗粒图像中随时间变化的结构差异，可观测到铁蛋白周围的溶剂化动力学。
• 尽管运动迅速且电子剂量低，该方法仍实现足够高的信噪比以支持结构分析。
• 4D重构揭示了静态冷冻电镜研究中通常被遗漏的瞬态结构状态。
• BSPA证明了利用自然布朗运动作为动态结构生物学中构象采样来源的可行性。