上海光源用户近期在结构生物学、碳纳米管材料、纳米生物效应等多个领域取得重要成果

2014/07/09 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

生物大分子晶体学线站用户在细菌脂多糖转运组装膜蛋白复合体结构解析取得重要成果 

2014年6月18日,Nature杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所黄亿华研究组对细菌脂多糖转运组装膜蛋白复合体结构解析重要成果。

脂多糖又称内毒素,最早由德裔著名微生物学家Richard F. J. Pfeiffer于十九世纪末发现。一百多年后,美国科学家Bruce Beutler因发现人体细胞膜上的脂多糖受体——Toll样受体4而荣获2011年诺贝尔生理与医学奖。脂多糖不仅是革兰氏阴性细菌外膜的主要组成成分, 也是导致炎症和人体天然免疫反应的主要原因。一百多年来,科学家们对细菌脂多糖在胞质中的合成已经有了很深入的了解,但直到二十一世纪初,美国普林斯顿大学细菌遗传学家、美国科学院院士Thomas Silhavy和美国哈佛大学生物化学家Daniel Kahne等发现,细菌脂多糖的跨膜转运以及在外膜上的组装由七个脂多糖转运蛋白(LptA-F)负责完成。而定位于细菌外膜上的LptD-LptE膜蛋白复合体完成脂多糖生成的最后一步,转运脂多糖跨过细菌外膜并组装形成细菌外膜的外小叶。LptD-LptE膜蛋白复合体因此可以说是革兰氏阴性细菌存活的“命门”。

生物物理所黄亿华研究员所领导的科研团队通过几年艰苦努力,在激烈的国际竞争中,最终利用上海光源生物大分子晶体学线站(BL17U1)成功地解析了致病菌福氏志贺菌来源的分子量约为110,000道尔顿的LptD-LptE膜蛋白复合体2.4埃的高分辨率晶体结构。该晶体结构披露了一种前所未有的由两个蛋白所形成的“塞子-桶”结构模式,并首次观察到一个整合膜蛋白(LptD)中含有两对非连续的、跨结构域的二硫键。同时,LptD的跨膜区是迄今所发现的由最多β链所组成(由26条β链围成),尺寸最大的β桶状整合膜蛋白。最为重要的是,在这26条β链中, 由于第1条和第2条β链各自存在一个脯氨酸, 破坏了其规则二级结构的形成, 从而削弱了和相邻β链之间的相互作用。因此,在组成β桶的第3和第26条β链间创造了一个宽度为16埃的脂多糖出口,其大小可以允许脂多糖从桶壁上的出口侧向输入到脂双层中。该复合体晶体三维结构也很好地解释了过去近二十年来世界各国生物化学家和细菌遗传学家对LptD和LptE两个蛋白所进行的功能研究。

LptD-LptE膜蛋白复合体晶体结构的成功解析不仅是外膜蛋白结构生物学领域的一个重大突破,也是细菌脂多糖生成这一研究领域的一个重大进展。鉴于脂多糖对细菌功能的重要性,LptD-LptE膜蛋白复合体一直是重要的药物靶点。LptD-LptE膜蛋白复合体的高分辨率晶体结构,为设计新型抗革兰氏阴性细菌药物提供了重要的信息。

Nature杂志同期以“Structural biology: Lipopolysaccharide rolls out the barrel”对该项成果进行了小结报道;Nature Reviews Microbiology 杂志编辑部以“Putting it out there”对该项工作进行了亮点介绍(Highlight)。




图为LptD-LptE膜蛋白复合体的晶体结构与脂多糖跨外膜的转运组装模型。a. LptD与LptE结构域示意图;b. LptD-LptE膜蛋白复合体晶体结构;c. LptD桶壁上脂多糖出口的结构特征;d. 脂多糖跨细菌外膜的转运与组装机理示意图。

  

XAFS线站用户在手性单壁碳纳米管可控生长研究中取得重要突破 

北京大学化学与分子工程学院李彦教授课题组在单壁碳纳米管手性可控生长研究上取得重要突破,该项成果于2014年6月26日在《自然》杂志上发表(Nature, DOI 10.1038/nature13434)。

单壁碳纳米管是一类重要的碳基材料,由于具有优异的电学性质而被人们广泛应用于碳基纳电子学研究中,它可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体,根据卷曲方式(通常称为“手性”)的不同,可以是金属性导体或带隙不同的半导体。这一独特而优异的性质同时也是碳纳米管制备上的巨大挑战。用一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物,而单一手性单壁碳纳米管的选择性生长成为一个难题,经过国内外科学家二十余年的努力仍未找到有效的解决方案。

李彦教授课题组经过十二年的潜心研究,逐步深化了对碳纳米管的生长机制和催化剂作用的认识,在此基础上提出了一种实现单壁碳纳米管结构/手性可控生长的方案。他们发展了一类钨基合金催化剂,其高熔点的特性确保了单壁碳纳米管在高温环境下的生长过程中保持晶态结构,其独特的原子排布方式可用来调控生长的碳纳米管的结构,从而实现了单壁碳纳米管的结构/手性可控生长。他们利用这种方法生长出了含量高于92%的(12, 6)型碳纳米管。通过调控催化剂的结构,他们还实现了(16,0)和(14,4)碳纳米管的选择性生长。更多的实验结果表明该方法具有普适性




图 以钨基双金属合金纳米晶为催化剂生长单一手性的单壁碳纳米管

上海同步辐射光源为该研究提供了重要的技术支撑。课题组在BL14W1- XAFS光束线站获取了Co元素K边和W元素L3边的X射线吸收谱精细解构(XAFS),高质量的实验数据保证了W-Co双金属结构的确定,证实了W和Co元素在1030℃下形成了W-Co合金,这为剖析单壁碳纳米管的手性选择性生长机制提供了重要的实验证据。




图(a)拉曼光谱测得的(12,6)碳管含量 (b)WCo催化剂结构的EXAFS表征

该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一困扰学界已久的难题提供了一种可能的方案,为碳纳米管的应用,尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。

在该工作中,BL14W1线站科技人员积极参与,在实验和数据处理两个方面提供了相应的专业技术支持,为该成果的发表作出了贡献。

 

软x射线谱学显微线站用户在纳米颗粒的生物学效应机制研究方面取得两项重要成果

纳米颗粒对重金属生物有效性研究

近日,南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室缪爱军课题组与上海光源合作,利用软X射线显微技术,研究了纳米二氧化钛对镉在原生动物四膜虫中富集与毒性效应的影响。该项研究成果,已在环境领域一流杂志Environmental Science & Technology上在线发表(TiO2 Nanoparticles Act As a Carrier of Cd Bioaccumulation in the Ciliate Tetrahymena thermophila, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es500694t)。 

课题组利用上海光源BL08U1A线站的扫描透射X射线显微镜及X射线双能吸收衬度成像技术,在50 nm分辨率下,研究了钛在四膜虫细胞内的分布规律;同时,借助荧光染料及激光扫描共聚焦显微镜分析了镉在四膜虫细胞内的分布。发现钛与镉的分布具有较高的相似性,均富集于四膜虫的食物泡中。该结果首次直接证实了纳米材料可以作为污染物载体将其转运进细胞内的假设。因此,我们在评价纳米材料的环境风险时,不但要考虑其对生物的直接作用,也不能忽视其对环境现存污染物生物有效性的影响。



图:(a-f)添加纳米二氧化钛前后四膜虫细胞内镉的分布;(g)四膜虫细胞切片的显微成像;(h)同一个样品中钛的双能吸收衬度成像

纳米材料的免疫调节机制研究方面取得新进展 

内包钆多羟基富勒醇(Gd@C82(OH)22)是一种具有高效低毒抗肿瘤作用的新型纳米材料,对免疫系统的调节是其发挥疗效的重要途径之一,但Gd@C82(OH)22激活和调控机体免疫的机制并不清楚。国家纳米科学中心陈春英课题组与上海光源软X射线显微成像站密切合作,结合同步辐射软X射线扫描透射显微技术(STXM)对巨噬细胞内Gd@C82(OH)22的摄入和定位进行成像分析,首次在分子水平揭示了金属富勒醇调节机体免疫的关键信号通路。研究发现,Gd@C82(OH)22与体内固有免疫细胞-巨噬细胞的相互作用在免疫调节过程中扮演着重要角色。Gd@C82(OH)22可被巨噬细胞大量摄入并将其活化,激活Toll样受体/MyD88/NF-ƘB和NLRP3免疫小体介导的信号通路,导致促免疫因子IL-1β的大量分泌,从而高效地调控天然免疫和获得性免疫。相关成果近期作为封面文章发表于纳米科学权威期刊Small杂志(PolyhydroxylatedMetallofullerenols Stimulate IL-1βSecretion of Macrophage through TLRs/MyD88/NF-κB Pathway and NLRP3 Inflammasome Activation. Small. 10(12), 2362–2372)。

值得一提的是,金属富勒醇纳米颗粒的成像一直是研究的难点,主要原因是Gd@C82(OH)22的主要成分为碳、氢、氧原子,仅含一个钆原子,与细胞主要元素组分的衬度接近,也不具有荧光特性,难以用电子显微镜和荧光成像对细胞内的Gd@C82(OH)22成像;因此,对研究Gd@C82(OH)22的细胞摄入和分布带来巨大的挑战。研究人员结合软X射线近边吸收精细结构谱学 (NEXAFS), 选取Gd的吸收边上(1189 eV)及边前(1185 eV)两种能量的X射线对巨噬细胞进行扫描透射成像(STXM),得到了高空间分辨率的能量分布图像,实现30 nm空间分辨的元素特异性成像。首次观察到Gd@C82(OH)22能被巨噬细胞够持续大量摄入,摄入过程具有时间依赖性。这一结果为研究金属富勒醇所介导的免疫调节机制提供了非常直观和重要的证据,同时拓展了同步辐射软X射线显微成像技术在纳米药物研究中的应用。




软X射线扫描透射显微技术可观察到Gd@C82(OH)22被巨噬细胞大量摄入及其在细胞内定位 

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