大腸桿菌的納米級X射線掃描。黃色代表膜蛋白，由于附著在蛋白質上的特殊標簽，X射線照亮。紅色代表鋅，這對于繁殖很重要。圖片由《美國化學學會雜志》提供142(5)，2145-2149(2020)
科學
無論是查看人體，行李箱還是其他應用程序，大多數X射線掃描都是二維的。它們通過測量X射線穿過某種材料(例如牙齒的牙科X射線)的透射來工作。三維圖像更具參考價值。這些圖像是在三個維度上拍攝的，并產生計算機斷層掃描，通常稱為“ CT掃描”。標準X射線機最多可提供幾毫米分辨率的圖像。但是，來自同步加速器的X射線束提供了“看到”更小的物體的可能性。同步加速器將電子加速到接近光速，以產生極亮的光。這些特殊的X射線束可以窺視生物細胞或其他材料中的分子。X射線幾乎看不到生物分子，因此研究人員必須在X射線照射時發光的分子上附加分子標簽。在這項研究中，科學家使用了一個X射線敏感標簽，該標簽由一個微小的同步加速器X射線束照亮，該射線的橫截面比最細的人類頭發小1,000倍。他們使用這項技術在單個表面上制作了膜蛋白圖像大腸桿菌。
影響
生物細胞被稱為脂質雙層的屏障包圍。這些屏障中的膜蛋白起著通道的作用，使離子，藥物和其他分子能夠進入和進入細胞。這些途徑通常是在感染或癌癥情況下殺死細胞的藥物治療的目標。這項新的X射線納米視覺技術使科學家能夠“看到”細胞膜蛋白并觀察其運作方式。這些新的X射線納米CT掃描將有助于發現適用于廣泛應用的新膜蛋白靶標，包括用于抗擊疾病的下一代藥物?？茖W家還可以使用掃描來研究電池，燃料電池和其他系統中膜的分子結構。該技術將幫助研究人員了解這些重要能源技術中的分子。
概括
膜蛋白負責將離子(包括鈣，鈉和鉀)運入和運出細胞。離子運輸對于電池和類似能源技術也至關重要。在生物系統中，調節離子運輸對于整個生命以及預防包括癲癇病和囊性纖維化在內的各種疾病都很重要。因此，膜蛋白是抗擊此類疾病的藥物的靶標。例如，SARS-CoV-2病毒上的“突突蛋白”是一種膜蛋白，是對抗COVID-19的主要靶標。為了觀察細胞中的膜蛋白，科學家使用了專門的顯微鏡，因為該蛋白分子非常小，比人的頭發小一萬倍。直到最近才將同步加速器X射線束做得足夠小以完成此任務。然而，
為了解決這個問題，科學家們采用了對X射線敏感的“標簽”(一種示蹤分子，當被X射線照射時會發光)并將其融合到膜蛋白上，從而可以用微小的X射線束對其進行可視化。 。在國家同步加速器光源II(NSLS-II)和高級光子源處使用納米級X射線束在美國能源部的兩個用戶設施中，研究人員獲得了細胞膜蛋白有史以來最高分辨率的CT掃描。由于這些標簽與膜蛋白的融合遵循簡單的生物化學實驗室規程，因此同步加速器納米CT可能會成為對納米級細胞中許多不同蛋白進行3D成像的廣泛工具。而且，由于X射線具有很強的穿透力，因此該方法可以擴展到對實驗室培養皿中的單個細胞進行成像之外，還可以研究其自然組織環境中的細胞。
