蛋白質(zhì)在基本細(xì)胞活動中扮演著重要角色，隨著蛋白質(zhì)測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的蛋白質(zhì)序列被人們發(fā)現(xiàn)。相較于蛋白質(zhì)序列的研究，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究一直處于循序漸進的推動階段。

冷凍透射電子顯微鏡是結(jié)構(gòu)生物學(xué)中關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最新技術(shù)利器，其首次在原子分辨率水平上解析了蛋白結(jié)構(gòu)，改變了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的“游戲規(guī)則”。近日，首臺國產(chǎn)商業(yè)場發(fā)射透射電子顯微鏡正式發(fā)布，打破了國內(nèi)透射電子顯微鏡完全依賴進口的局面，由此衍生的關(guān)于其零部件及耗材的國產(chǎn)化問題，引發(fā)社會廣泛關(guān)注。

石墨烯電鏡載網(wǎng) 更銳利的“眼睛”

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的發(fā)展過程好比相機的演變：開始用膠片，成像非常慢，后來換了CCD（電荷耦合元件），雖然成像速度快，但需要把電子信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信噪比差，損害了分辨率。當(dāng)時科學(xué)家預(yù)言，如果能夠利用電子束這種最直接的探測方式，可以將信噪比提高幾個數(shù)量級。于是，美國和英國的科學(xué)家用了近20年，終于做出能直接感受電子的探測器。擁有了電子探測器后，接收數(shù)據(jù)的過程變得很快，收集到的結(jié)構(gòu)影像不再是一幀一幀的照片，而是連續(xù)性的“電影”。冷凍透射電子顯微鏡所具備的優(yōu)勢，便是其有了電子探測器的緣故。

G蛋白是人體內(nèi)最大的蛋白質(zhì)家族，超過800個，在細(xì)胞信號傳導(dǎo)中發(fā)揮著“傳感器”作用，針對它的解析，是攻克惡性腫瘤“靶向藥”的主要靶點。在人體800多個G蛋白靶點中，僅有134個被開發(fā)，其開發(fā)水平與現(xiàn)階段蛋白質(zhì)的解析水平息息相關(guān)。

冷凍透射電鏡載網(wǎng)是其重要耗材，是決定蛋白質(zhì)解析水平的重要一環(huán)。此前，冷凍電鏡載網(wǎng)的市場幾乎被國外壟斷，且利用現(xiàn)有電鏡載網(wǎng)的制樣技術(shù)存在一系列問題：由于氣液界面導(dǎo)致蛋白往往容易吸附在碳膜孔洞的邊緣位置，造成測試樣品過少；或被吸附到氣液界面的表面，形成優(yōu)勢取向，成像單一；樣品暴露在空氣外，容易產(chǎn)生樣品變性；制樣過程中冰層過厚，導(dǎo)致背景噪聲太強，影響解析結(jié)果等。

BGI研制的單層石墨烯電鏡支撐膜（石墨烯電鏡載網(wǎng)）是冷凍電鏡表征制樣的升級方案，通過在傳統(tǒng)載網(wǎng)表面引入單原子層厚度的高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜，有效負(fù)載生物大分子、單原子、納米顆粒等樣品。單層石墨烯電鏡支撐膜幾乎無背景噪聲，能有效緩解氣液界面、優(yōu)勢取向、冰層不均、樣品位移等問題，提升成像襯度，富集樣品濃度，進而方便用戶實現(xiàn)高分辨率成像及結(jié)構(gòu)解析。

與其他蛋白解析手段相比，利用石墨烯透射電鏡載網(wǎng)有著不可比擬的優(yōu)勢：

高分辨率前進一小步 人類難題解析一大步

得益于石墨烯電鏡載網(wǎng)支撐膜，BGI為全球結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究及生物制藥領(lǐng)域帶來了全新的研發(fā)思路，清華大學(xué)的王宏偉等國際一流結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的團隊均開始使用石墨烯電鏡載網(wǎng)進行一系列前沿蛋白探索。

目前，BGI石墨烯電鏡支撐膜已經(jīng)與清華大學(xué)/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、新加坡國立大學(xué)化學(xué)院、德國奧斯納布呂克大學(xué)生物物理系等著名高校開展合作，并取得階段性成果。

此外，BGI利用4英寸石墨烯晶圓生長出粗糙度低、均一性好、褶皺較少的單晶石墨烯薄膜，轉(zhuǎn)移至冷凍透射電鏡載網(wǎng)上，可形成新型超平整石墨烯載網(wǎng)。這種載網(wǎng)的解析質(zhì)量更高，目前已經(jīng)應(yīng)用于多種小蛋白解析，例如streptavidin（鏈霉親和素蛋白，52kDa）、hemoglobin（血紅蛋白，64kDa）和α-fetoprotein（甲胎蛋白，67kDa），分別實現(xiàn)2.2A、3.5A和2.6A的高分辨率結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

基于BGI石墨烯冷凍電鏡支撐膜的載網(wǎng)，目前已經(jīng)助力生命科學(xué)領(lǐng)域解析了很多曾經(jīng)難以解析的蛋白，為人類帶來了革命性、跨越性的變化。BGI也將基于自身在石墨烯領(lǐng)域多年的研發(fā)經(jīng)驗，充分發(fā)揮石墨烯的材料特性，為國產(chǎn)冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展增添助力。