石墨烯與全像電子顯微鏡,實現單一蛋白質攝像

作者 | 發布日期 2016 年 01 月 30 日 0:05 | 分類 生物科技 , 科技教育 , 醫療科技 follow us in feedly
FLICKR Ryan Kitko

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。

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▲ 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。

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▲ X 光散射晶體學流程圖。(Source:sdsu

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(low-energy electron holographic microscope)便派上用場了。

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▲ 低能全像電子顯微鏡攝像原理。(Source:genengnews

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。

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▲ 石墨烯的原子結構示意圖。(Source:new scientist

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。

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▲ 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。(Source:www.popsci.com

(首圖來源:Flickr/Ryan Kitko CC BY 2.0) 

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