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利用同步加速器产生的纳米级X射线束窥视细菌

辐射成像 同步加速器 X射线束 CT扫描
发布:2021-03-18 16:01:21    

大肠杆菌的纳米级X射线扫描。黄色代表膜蛋白,由于附着在蛋白质上的特殊标签,X射线照亮。红色代表锌,这对于繁殖很重要。图片由《美国化学学会杂志》提供142(5),2145-2149(2020)

科学

无论是查看人体,行李箱还是其他应用程序,大多数X射线扫描都是二维的。它们通过测量X射线穿过某种材料(例如牙齿的牙科X射线)的透射来工作。三维图像更具参考价值。这些图像是在三个维度上拍摄的,并产生计算机断层扫描,通常称为“ CT扫描”。标准X射线机最多可提供几毫米分辨率的图像。但是,来自同步加速器的X射线束提供了“看到”更小的物体的可能性。同步加速器将电子加速到接近光速,以产生极亮的光。这些特殊的X射线束可以窥视生物细胞或其他材料中的分子。X射线几乎看不到生物分子,因此研究人员必须在X射线照射时发光的分子上附加分子标签。在这项研究中,科学家使用了一个X射线敏感标签,该标签由一个微小的同步加速器X射线束照亮,该射线的横截面比最细的人类头发小1,000倍。他们使用这项技术在单个表面上制作了膜蛋白图像大肠杆菌。

影响

生物细胞被称为脂质双层的屏障包围。这些屏障中的膜蛋白起着通道的作用,使离子,药物和其他分子能够进入和进入细胞。这些途径通常是在感染或癌症情况下杀死细胞的药物治疗的目标。这项新的X射线纳米视觉技术使科学家能够“看到”细胞膜蛋白并观察其运作方式。这些新的X射线纳米CT扫描将有助于发现适用于广泛应用的新膜蛋白靶标,包括用于抗击疾病的下一代药物。科学家还可以使用扫描来研究电池,燃料电池和其他系统中膜的分子结构。该技术将帮助研究人员了解这些重要能源技术中的分子。

概括

膜蛋白负责将离子(包括钙,钠和钾)运入和运出细胞。离子运输对于电池和类似能源技术也至关重要。在生物系统中,调节离子运输对于整个生命以及预防包括癫痫病和囊性纤维化在内的各种疾病都很重要。因此,膜蛋白是抗击此类疾病的药物的靶标。例如,SARS-CoV-2病毒上的“突突蛋白”是一种膜蛋白,是对抗COVID-19的主要靶标。为了观察细胞中的膜蛋白,科学家使用了专门的显微镜,因为该蛋白分子非常小,比人的头发小一万倍。直到最近才将同步加速器X射线束做得足够小以完成此任务。然而,

为了解决这个问题,科学家们采用了对X射线敏感的“标签”(一种示踪分子,当被X射线照射时会发光)并将其融合到膜蛋白上,从而可以用微小的X射线束对其进行可视化。 。在国家同步加速器光源II(NSLS-II)和高级光子源处使用纳米级X射线束在美国能源部的两个用户设施中,研究人员获得了细胞膜蛋白有史以来最高分辨率的CT扫描。由于这些标签与膜蛋白的融合遵循简单的生物化学实验室规程,因此同步加速器纳米CT可能会成为对纳米级细胞中许多不同蛋白进行3D成像的广泛工具。而且,由于X射线具有很强的穿透力,因此该方法可以扩展到对实验室培养皿中的单个细胞进行成像之外,还可以研究其自然组织环境中的细胞。

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