當(dāng)前，研究蛋白納米機(jī)器功能的生物學(xué)家從細(xì)胞中分離出這些復(fù)合體，然后利用體外技術(shù)在原子水平上觀察它們的結(jié)構(gòu)。或者，他們采用允許在活細(xì)胞內(nèi)對(duì)這些復(fù)合體進(jìn)行分析的技術(shù)，但是這很少會(huì)提供結(jié)構(gòu)信息。在一項(xiàng)新的研究中，來自西班牙、德國和瑞士的研究人員開發(fā)出一種新的技術(shù)而能夠直接觀察到活細(xì)胞中這些蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和功能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年1月26日那期Cell期刊上，論文標(biāo)題為“The In Vivo Architecture of the Exocyst Provides Structural Basis for Exocytosis”。

論文通信作者、西班牙巴塞羅那生物醫(yī)學(xué)研究所研究員Oriol Gallego解釋道，“這些可用的體外技術(shù)是非常優(yōu)秀的，允許我們?cè)谠铀缴线M(jìn)行觀察，但是所獲得的信息是有限的。但是如果我們讓發(fā)動(dòng)機(jī)解體，僅研究單個(gè)零件，那么我們將不會(huì)知道它是如何工作的。我們需要觀察組裝在汽車中的這種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在生物學(xué)上，我們?nèi)匀粵]有工具觀察活細(xì)胞的內(nèi)部工作機(jī)制，但是我們開發(fā)的這種技術(shù)是朝著正確方向走的一步，而且如今我們能夠三維地觀察這些蛋白復(fù)合體如何執(zhí)行它們的功能。”

觀察蛋白納米機(jī)器在工作

這種新的策略采用了超分辨率顯微技術(shù)和計(jì)算建模方法。Gallego解釋道，它允許研究人員在5納米的精度下觀察蛋白復(fù)合體，這一分辨率比“超分辨率顯微技術(shù)所提供的分辨率高4倍，而且允許我們開展之前不可能開展的細(xì)胞生物學(xué)研究。”

研究人員對(duì)細(xì)胞進(jìn)行基因修飾以便在內(nèi)部構(gòu)建出人工支持物。在這些支持物表面上，它們能夠附著蛋白復(fù)合體。經(jīng)過設(shè)計(jì)，這些支持物允許他們調(diào)整觀察這些固定的納米機(jī)器的角度。隨后，為了確定蛋白復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，他們利用超分辨率技術(shù)測(cè)量不同組分之間的距離，然后在一種類似全球定位系統(tǒng)使用的過程中將它們進(jìn)行整合。

胞吐作用（exocytosis）的基本特征

Gallego采用這種方法研究胞吐作用，即細(xì)胞用來與細(xì)胞外面進(jìn)行通信的一種機(jī)制。比如，神經(jīng)元通過胞吐作用釋放神經(jīng)遞質(zhì)而彼此間進(jìn)行通信。這項(xiàng)研究允許研究人員揭示出胞吐作用中一種關(guān)鍵的納米機(jī)器的完整結(jié)構(gòu)。他解釋道，“如今，我們知道這種納米機(jī)器是如何由8種蛋白形成的，每種蛋白在其中具有什么重要的作用。這一知識(shí)將有助我們更好地理解胞吐作用在癌癥和腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用。”

新研究

鑒于細(xì)胞的內(nèi)部工作機(jī)制發(fā)生改變能夠?qū)е录膊‘a(chǎn)生，理解納米機(jī)器如何執(zhí)行它們的細(xì)胞功能具有重要的生物醫(yī)學(xué)意義。利用這種新的策略，研究細(xì)胞的蛋白納米機(jī)器在健康和疾病中發(fā)揮的作用是可能的。比如，科學(xué)家有可能觀察病毒和細(xì)菌在感染期間如何使用蛋白納米機(jī)器，和更好地理解蛋白復(fù)合體中的致病性缺陷以便設(shè)計(jì)新的逆轉(zhuǎn)它們的治療策略。

這種技術(shù)能夠被用來研究相對(duì)較大的蛋白復(fù)合體。Gallego說，“在5納米的精度下，能夠觀察蛋白復(fù)合體是一個(gè)巨大的成就，但是在原子水平下觀察細(xì)胞內(nèi)部仍然還有好長的路要走。但是，我認(rèn)為在未來，將多種方法整合在一起，將每種方法的力量組合在一起，有可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”