新技术可以实时研究大分子组装

由斯克里普斯研究所的科学家们共同领导的一个小组展示了一种新的显微镜技术，可以在分子水平上研究复杂的生物过程。研究人员使用这项技术实时记录DNA到RNA的复制或转录，以及随后蛋白质与RNA转录本的结合，开始组装一个叫做核糖体的大分子。

11月30日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一篇论文描述了这项技术，它为研究RNA和蛋白质相关的各种分子相互作用，以及在类似活细胞的条件下，以前所未有的细节进行研究铺平了道路。

“我们可以将这种方法应用于许多生物学问题，”该研究的第一作者Olivier Duss博士说。

这项研究的高级研究员是斯克里普斯研究所的詹姆斯·威廉姆森博士和斯坦福大学的约瑟夫·普利西博士。

像DNA转录这样的纳米级生物过程不能通过普通显微镜直接观察到，因为所涉及的分子比可见光波长小很多倍。因此，科学家不得不想出间接的方法来“观察”这些过程。例如，单分子成像技术在单个分子上使用荧光标记来监视它们的运动和与其他分子的相互作用。

单分子技术的一个常见缺点是要求标记的分子浓度非常低——这样它们的集体荧光就不会产生太多的背景“噪声”，掩盖来自单个分子的信号。

“问题是，当你想研究一些生物过程时，比如核糖体组装，你必须复制细胞中浓度高得多的分子;否则，这个过程就不会像通常那样发生。

这项新技术是基于一种称为零模波导荧光显微镜的技术，这种技术可以使成像的分子具有更高的、生物学上真实的浓度。它通过在光源和分子溶液之间穿孔数千个小孔(或波导)的金属薄膜来完成这一过程。这些波导有效地将单个分子隔离在光照/视场中，即使它们的浓度相对较高，从而大大降低了背景噪声。

在这种情况下，科学家们在感兴趣的分子上附加了特殊的荧光标记，使分子的某些特殊运动能够引起荧光强度的明显变化。因此，科学家们可以实时监测分子间的相互作用，并同时监测由波导分离出来的成百上千个相互作用的分子——这使得研究人员能够对这些相互作用中通常发生的事情有一个统计学上可靠的认识。对于波导中的每一组分子，研究人员可以使用多达四种不同颜色的荧光标记，使他们能够在同一时间监视同一过程中的那么多不同分子。

该团队通过记录核糖体组装的早期阶段，展示了该技术的强大功能。核糖体是由RNA和蛋白质组成的分子工厂，在细胞中起着合成蛋白质的关键作用。每个细胞都需要成千上万甚至上百万的核糖体，当旧的核糖体分解或细胞分裂时，新的核糖体就会不断聚集。在核糖体组装的开始，核糖体蛋白在RNA合成过程中与RNA相互作用，但转录和蛋白结合是如何相互作用的还没有被很好地理解。

研究人员能够监测DNA中核糖体RNA转录的进展，并观察到随后核糖体蛋白S15与新生RNA转录本的结合很快。他们同时记录了数百个不同的核糖体组装过程。

数据显示这种protein-RNA绑定过程适用的正常生理温度35°C,但效率相对要少得多冷20°C,显然是因为温度的核糖体RNA会折叠在它被在转录合成。

Duss说:“我们选择核糖体蛋白S15作为我们首次证明蛋白质与转录RNA结合的一个原因是，S15-核糖体RNA相互作用的研究相对较好，因此我们可以根据已知的结果来检查我们的结果。”

在以这种方式验证了他们的技术之后，Duss和同事们现在正将其应用于更复杂和更具挑战性的生物事件，包括RNA折叠、全核糖体组装，甚至从核糖体组装到合成新蛋白质的整个过程。

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