開發技術對複雜生物系統查找在亞細胞級別的圖像由部門傳統上阻礙了在生物的學術域和物理之間。但是, 新建學科熱忱看了一定數量令人激動的預付款在超級解決方法想像技術。

在物理世界、保□・O'Shea, 一位生物物理學家的6月問題在諾丁漢、邁克爾・Somekh, 光學工程師大學在生物物理學、想像& 光學科學, 和威廉巴恩斯諾丁漢的學院, photonics 教授在埃克塞特大學, 概述這些新建技術和探索為什麼他們的發展是要求生物學家和物理學家最佳的工作成績的努力。

傳統部門在學科之間查找了共同基礎在工作成績對圖像蜂窩電話功能。當一些活細胞比80 個千分尺大的, 重要和興趣的蜂窩電話進程- 譬如發信號在電池之間- 可能發生充分少於一個千分尺縮放比例。

這形成嚴肅的挑戰為傳統想像技術譬如熒光顯微學, 藉以光學顯微鏡被使用觀察用螢光分子被標記了散發光子當照耀以一個特定波長的光的生物結構, 作為這些聘用最好200 nanometres 的解決方法。越來越, 生物學家轉向了物理學家為幫助在打破這個"衍射" 限額。

結果是發展近年來幾個新穎的技術擴大伸手可及的距離熒光顯微學。這些包括方法譬如被刺激的放射取盡顯微學(STED), 隨機重建顯微學(風暴), 相片被激活的本地化顯微學(掌上型電腦) 並且被構造的照明顯微學, 是能解決結構一樣小像50 nanometres 。這些技術編譯在允許光實際衍射限額被中斷的理論和實驗工具公用對物理。

如同條款的作者解釋, "什麼是引人入勝的是生物實驗需要驅動發展在想像技術, 當預付款在想像技術反過來_發新建生物問題。許多這些發展並且匹配手拉手發生在生物認為, 親密地涉及物理學家的一次革命。"

伊利諾伊研究員大學開發了想像電池的一個技術在緊緊產生結構chromatin, 創傷捆綁基因和蛋白質的一個清晰的圖像組成染色體的電子顯微鏡下。研究結果出現在本質方法。

科學家比一個世紀知道為更多蛋白質, 譬如組蛋白, 援助在裝箱DNA 裡入電池的中堅力量。人類細胞包含2 到3 米DNA, 必須被糾纏和被盤繞足夠對適應入人髮的區域1/10 寬度。

儘管用途對強有力, 高分辨率想像技術譬如電子顯微鏡術, 這個chromatin 裝箱發生遺骸的每奧秘的結構。密集地捲起的chromatin 纖維非常難形象化, 並且一點為人所知關於怎樣他們凝聚在細胞分裂期間, 或解開允許基因表達。

在開發他們的方法, 伊利諾伊小組應付了一個關鍵困難在想像電池裡使用電子顯微鏡術。傳統研究"修理" 電池以有力化學製品(叫做固定劑) 為觀看保存他們的結構在顯微鏡下。但標準定像方法干涉其它步驟在想像進程: 對被標記的抗體的用途標記電池的關鍵部件。

這些抗體, 目標和門閂對特定蛋白質在電池, 可能用螢光標籤被標記為檢測在光學顯微學, 或以金屬微粒(金子, 在這種情況下) 為電子顯微鏡術。

"如果您首先修理電池, 您有劇烈的下落在這些immunochemical 回應效率," 主要作者說Igor Kireev 、一位訪問的科學家在電池和發展生物的部門和本文。電子顯微鏡術圖像點擊相片擴大安德魯・Belmont 和Igor Kireev 圖像禮貌新建技術暴露活細胞於被標記的抗體, 產生一個更強的信號為電子顯微鏡術的途徑。

"並且如果您的目標是裡面濃縮的chromatin, 抗體沒有方式擊穿。"

而不是修理電池在弄髒與抗體之前, 研究員第一次暴露活動物電池於被標記的抗體。這允許抗體深深地擊穿入chromatin 結構, 和提高了金微粒的數量遵守地區利益。信號由添加提高了一個銀色解決方法沉澱(變硬) 在聯絡與金子。

"我們是對chromatin 結構感興趣, 因此我們的目標是主要chromatin 跳起蛋白質," Kireev 說。

研究員插入了幾一細菌DNA 的複製, 稱紫膠運算符, 入染色體。細菌蛋白質, 紫膠鎮壓者, 認出和束縛對紫膠運算符在活細胞裡。

研究員與發螢光綠色在藍色光之下的其它蛋白質結合了紫膠鎮壓者蛋白質。這設計的蛋白質遵守了染色體在地區包含紫膠運算符順序。在藍色光之下, 這些地區發了螢光。金子被標記的抗體被瞄準反對綠色螢光蛋白質(GFP) 是然後microinjected 入一個活細胞的中堅力量, 添加一個金屬信號能被提高與銀。

"所有這被結合給我們一個好信號, 一個更強的信號, 以最佳的結構保存," Kireev 說。

發螢光的蛋白質幫助研究員查找興趣的地區在電池上。這些面積是然後"immunogold" 被標記和被瞄準為電子顯微鏡術。

在收效的微寫器研究員看了改進的弄髒染色體。

"我們能嚮研究現在運用這個同樣居住電池標記的方法在高分辨率許多不同的GFP 被標記的蛋白質在電池細胞質或中堅力量," 教授說安德魯・Belmont, 電池和本文的發展生物和資深作者。

"在設法瞭解染色體, 人們對特定染色體蛋白質的低分辨率形象化主要被限制了使用光學顯微學," Belmost 說。"這意味大家必須做很多猜測怎樣事被彙集, 導致在許多情況下隱晦, 卡通設計什麼是可能的是複雜的染色體結構執行DNA 功能譬如複製和副本。"

"現在我們希望我們能查找和簡單看真正的結構使用電子顯微鏡術的更比10-fold 更高的解決方法," Belmont 說。"我們真正地被激發看什麼我們將查找運用我們的新建方法"

被顯示噬菌體的圖像Epsilon15 由Wen 江, 生物科學一名助理教授學習在Purdue 。噬菌體被顯示在4.5 的解決方法埃— 最高的解決方法達到為這個範圍一個生存有機體。 Credit Graphic/Wen 江實驗室

西部拉斐特, Ind 。- 小組由Purdue 大學研究員帶領達到了病毒的圖像二次大於早先詳細達到了。

Wen 江, 生物科學一名助理教授在Purdue, 帶領了曾經唯一微粒電子湧現的技術cryomicroscopy 獲取病毒的一個三維圖像在4.5 埃的解決方法的一個研究小組。大約1 百萬埃會等於人髮的直徑。

“This 是第一項目的當中一個提煉技術對點近的原子級別解決方法, ” 前述江, 並且是Purdue’s 結構生物組的成員。“This 中斷閾值和允許我們現在看一個整體新建詳細程度在結構。這是最高的解決方法曾經達到為這size.” 一個生存有機體;

病毒的結構的詳細資料為疾病處理的發展提供重要的資訊, 他說。

我們瞭解的“If 系統- 怎麼病毒微粒聚集並且怎麼他們傳染寄主細胞- 它很大地將改進我們的能力設計處理, ” 江說。“Structural 生物學家執行基礎科學和提供資訊幫助那些從事臨床aspects.”

論文選派工作被發表了在本質的2月28 日問題。

Roger Hendrix, 生物科學教授在匹茲堡大學, 說什麼得知病毒可能嚮許多其它生物系統被申請。

“Understanding 創建的蛋白質病毒的結構給予我們洞察力入微小的生物設備被查找在我們的機體過程中, ” 他說。“Getting 對4.5 埃使用這個技術是排序意義重大因為這是我們可能實際上第一次跟蹤多縮氨基酸鏈子- 蛋白質的中堅。現在我們能看允許蛋白質行動和互動的微小的齒輪和槓桿當他們執行他們的複雜生物roles.”

想像技術, 稱cryo Em, 有維護範例的被添加的福利被學習在狀態非常相似與其自然環境。其它想像技術正常被使用, 譬如X-射線結晶學, 要求範例被操作。

“This 方法提供一個新建途徑為塑造蛋白質結構在其它大分子裝配件裡, 譬如DNA, 在近當地狀態, ” 江說。“The 範例被淨化在與環境是非常相似會被查找在寄主細胞的解決方法。它是好像病毒凍結在玻璃裡並且它活和感染的當我們審查it.”

除江之外, 馬修・L. Baker, Joanita Jakana 和Wah Chiu 從醫學Baylor 學院, 和彼得・R. Weigele 和喬納森國王從麻省理工學院研究項目, 由健康和國家科學基金會全國學院資助。

小組獲得了capsid 的三維映射, 或蛋白質殼, epsilon15 噬菌體, 傳染細菌的病毒並且是病毒的系列的成員是最豐富的生活表單在地球上, 江說。

確定結構其它方法不能被使用為病毒這個系列。無成功被結晶了, 並且這個系列的成員的複雜防止了評估通過染色體順序單獨。

“This 演示表示, cryo Em 是可行的和是一個主要步驟在實現這個技術潛能, ” 他說。“The 目標是安排它到達一個3 個到4 個埃解決方法, 會允許我們清楚地看氨基酸組成protein.”

在電子顯微鏡術, 電子射線代替光束被使用在一個常規顯微鏡。對電子的用途代替光允許顯微鏡對“see” 在更加了不起的詳細資料。

Cryo Em 冷卻標本對溫度很好在冰點水之下。這減少損傷從電子束和允許標本被審查一個更加長式的時期。更久的曝光時間考慮到更加鋒利, 更加詳細的圖像。

研究員使用cryo Em 獲得了圖像在6-9 埃的解決方法但不能區分在結構之間的更小的要素分開間隔了只4.5 埃。

“There 是組成蛋白質構件病毒的不同的要素, ” 江說。“It 是像審查鑲邊一攬子。從距離, 條紋一起弄髒並且一攬子看來是一單色。當您得到更加緊密您能看不同的條紋, 和如果您使用您能看字符串子線組成物料的一個放大鏡。解決方法比距離需要小在線程數之間子線為了看二條不同子線。

“By 能迅速移動, 研究員能看一起弄髒在更加早期的達到的resolution.” 的要素;

Cryo Em 要求高端電子顯微鏡和強有力的計算來源。研究小組使用了Medicine’s cryoelectron 顯微鏡Baylor 學院。它被預計2009 年, Purdue 將安裝科技目前進步水平cryoelectron 顯微鏡。

2006 年Purdue 被接受$2 百萬授予從健康全國學院採購顯微鏡。它將被安裝在Hockmeyer 霍爾結構生物, 2009 年被預計打開。

電腦程式使用從顯微鏡提取信號和結合千位二維圖像入映射病毒的結構的一個準確三維圖像。這要求對一個大資料集的用途, 不能做了沒有資訊技術Purdue’s 辦公室資源, 或ItaP, 江說。

江曾經Purdue’s 鏈接電腦包括桌面設備和大, 強有力的研究電腦- 的神鷹程式- 創建最大的分配計算網路在大學。

“ITaP 提供我們以計算力量在是必要的為這個工作的巨型電腦縮放比例, ” 他說。“Purdue’s 神鷹程式允許我們利用7,000 臺電腦的力量。這是一個重要要素對我們的success.”

江計劃繼續提煉進程的每個步驟改進技術的能力和審查更加醫療上相關的病毒種類。

Purdue’s 結構生物組學習一個不同的組問題, 包括蜂窩電話信號路、核糖核酸催化、bioremediation 、分子演變、病毒項、病毒複製和病毒發病原理。研究員使用X-射線結晶學, 電子cryomicroscopy, 核磁共振的分光學, 和先進的計算和塑造工具的組合學習這些問題。