细胞是生命的基本单位，但它们的许多基本过程发生得如此之快，而且在如此小的尺度上，目前的科学工具和方法无法跟上，这阻碍了我们对其进行更深入的了解。
现在，SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、康奈尔大学和其他机构的研究人员已经开发出一种观察基本生物过程展开的新方法。该方法将低温电子显微镜与x射线晶体学方法相结合，可以改进药物，并加深对细胞分裂、光合作用和宿主-病原体相互作用等学科的理解。
SLAC科学家和论文合著者皮特·达尔伯格说:“许多细胞过程发生在毫秒级的时间尺度上。”“有了我们的新技术，我们可以戳一个细胞，然后选择一个我们想要拍摄其反应的清晰图像的时刻。”
重新构想一个强大的喷雾工具
几十年来，科学家们一直依靠被称为低温电子显微镜(cryo-EM)和低温电子断层扫描(cryo-ET)的成像技术来观察细胞、蛋白质和其他生物和分子的内部。这两种技术都使用电子显微镜来捕捉速冻样品的快照，这些快照可以非常详细地揭示细胞结构。这些方法包括将样品放在一个被称为电子显微镜网格的薄圆盘上，并将其放入低温液体中快速冻结。这对于将细胞样本保存在其原始状态是很好的，但冷冻快照并不能告诉研究人员很多动力学信息。这有点像通过随机拍摄某人跳舞的照片来学习舞蹈动作。
目前，在类似的低温et实验中，研究人员手工混合细胞样本，以便拍摄它们对刺激的反应图像。但是手工混合需要时间，有点像用手而不是用电动搅拌器混合煎饼面糊，这意味着实验者只能每隔10秒观察到有机体的变化——比许多重要过程所需要的时间长上百倍。
“当你在冷冻et实验中手动混合和冷冻细胞时，你通常太慢，无法捕捉到你真正关心的变化。这可能会限制你理解重要生物过程的能力，”SLAC研究员和论文合著者卡利·安托里尼说。
因此，研究人员转向了一种喷嘴装置，这种装置经常用于x射线自由电子激光器(XFEL)和同步加速器设施，以混合样品进行晶体学实验。该设备被称为混合注入器耦合气体动态虚拟喷嘴(GDVN)，通常用于研究在极短时间尺度上发生的分子运动，如光激活后的飞秒，或在SLAC直线加速器相干光源(LCLS)等XFELs中使用化学混合在毫秒到秒的时间尺度上发生的运动。
喷管装置的图形表示。当细胞从左向右移动时，样品细胞(绿色)与模拟溶液混合，离开喷嘴。(Greg Stewart/SLAC nation
nal加速器实验室)
“LCLS的喷雾装置允许研究人员观察微晶体中原子的运动，”Dahlberg说。“但在我看来，喷洒微晶样品和喷洒细胞样品是一回事。”
“我们希望尽可能地将光源和低温et技术结合起来，”SLAC和斯坦福大学教授、资深合著者若松一说。“我们知道这样做将对微生物学和医学发展产生有益的影响。”
通过他们的新方法，研究人员在几毫秒内喷洒并冷冻了与兴奋剂混合的细胞样本，而不是手工混合所需的10秒时间。这使得研究人员可以每隔25毫秒拍摄一次细胞样本的图像，并观察时间尺度上的变化。
“我们的新方法有助于识别和描述我们在时间分辨实验过程中开始看到的细胞中一些有趣的形态变化，”斯坦福大学研究生和论文合著者雅各布萨默斯说。
从喷射到薄雾
康奈尔大学的研究人员重新设计了LCLS的喷嘴，用于低温et实验。但这并不像把喷雾装置从LCLS移到低温加热机器那么简单。问题在于，在LCLS，样品是以强大的射流形式喷射的——就像一根浇在射流上的花园软管。这种力和压力不适用于低温et实验，因为样品被喷到薄而脆弱的网格表面上，在喷射气流的作用下可能会破裂。
因此，研究人员调整了通过喷嘴的气体流速——有点像将花园软管的设置从喷射改为雾状。通过这种调整，他们创造了一个精细的喷雾，而不是一个强大的流。
康奈尔大学的研究人员、论文的合著者卡拉·齐林斯基(Kara Zielinski)说，由于这是一项相对较新的技术，因此人们几乎没有探索过制造雾状喷雾的正确条件。她说，他们必须测试许多不同的实验条件，如液体流速、气体流速、喷雾器到网格的距离，甚至网格类型，以找到高质量网格和数据收集的最佳条件。
研究人员还改变了喷雾装置内细胞和兴奋剂溶液的流速，有效地控制了样品混合在一起的速度，并为研究人员想要研究的细胞反应启动了时钟。
齐林斯基说，现在研究人员已经证明了这项新技术，它可以应用于细胞水平上关于结构动力学的各种问题。
她说:“参与一种新方法的开始总是令人兴奋的，因为这通常意味着开辟了研究生物学问题的全新途径。”“机会是无限的，因为我们现在可以通过混合小分子来触发细胞动力学，并捕获其作用的直接结构证据。”
“我对这种方法在未来可能导致的结果感到非常兴奋，”论文合著者、斯坦福大学研究生乔伊·约莱斯说。“即使我们只考虑细菌，就像我们在这项研究中做的那样，我们也可以以极高的分辨率观察细菌和药物之间的相互作用。”
这项工作得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、美国能源部、基础能源科学、生物和环境研究办公室的资助。
引用本文:Yoniles et al.， Molecular Biology of the Cell, 2024年5月8日(10.1091/mbc.E24-01-0042)
