一、生物大分子晶體學(xué)線站用戶在細(xì)菌脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)組裝膜蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)解析方面取得重要成果
2014年6月18日，Nature雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所黃億華研究組對細(xì)菌脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)組裝膜蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)解析重要成果。
脂多糖又稱內(nèi)毒素，最早由德裔著名微生物學(xué)家Richard F. J. Pfeiffer于十九世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)。一百多年后，美國科學(xué)家Bruce Beutler因發(fā)現(xiàn)人體細(xì)胞膜上的脂多糖受體——Toll樣受體4而榮獲2011年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。脂多糖不僅是革蘭氏陰性細(xì)菌外膜的主要組成成分, 也是導(dǎo)致炎癥和人體天然免疫反應(yīng)的主要原因。一百多年來，科學(xué)家們對細(xì)菌脂多糖在胞質(zhì)中的合成已經(jīng)有了很深入的了解，但直到二十一世紀(jì)初，美國普林斯頓大學(xué)細(xì)菌遺傳學(xué)家、美國科學(xué)院院士Thomas Silhavy和美國哈佛大學(xué)生物化學(xué)家Daniel Kahne等發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌脂多糖的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)以及在外膜上的組裝由七個脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（LptA-F）負(fù)責(zé)完成。而定位于細(xì)菌外膜上的LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體完成脂多糖生成的最后一步，轉(zhuǎn)運(yùn)脂多糖跨過細(xì)菌外膜并組裝形成細(xì)菌外膜的外小葉。LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體因此可以說是革蘭氏陰性細(xì)菌存活的“命門”。
生物物理所黃億華研究員所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)通過幾年艱苦努力，在激烈的國際競爭中，最終利用上海光源生物大分子晶體學(xué)線站（BL17U1）成功地解析了致病菌福氏志賀菌來源的分子量約為110,000道爾頓的LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體2.4埃的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。該晶體結(jié)構(gòu)披露了一種前所未有的由兩個蛋白所形成的“塞子-桶”結(jié)構(gòu)模式，并首次觀察到一個整合膜蛋白（LptD）中含有兩對非連續(xù)的、跨結(jié)構(gòu)域的二硫鍵。同時，LptD的跨膜區(qū)是迄今所發(fā)現(xiàn)的由最多β鏈所組成（由26條β鏈圍成），尺寸最大的β桶狀整合膜蛋白。最為重要的是，在這26條β鏈中, 由于第1條和第2條β鏈各自存在一個脯氨酸, 破壞了其規(guī)則二級結(jié)構(gòu)的形成, 從而削弱了和相鄰β鏈之間的相互作用。因此，在組成β桶的第3和第26條β鏈間創(chuàng)造了一個寬度為16埃的脂多糖出口，其大小可以允許脂多糖從桶壁上的出口側(cè)向輸入到脂雙層中。該復(fù)合體晶體三維結(jié)構(gòu)也很好地解釋了過去近二十年來世界各國生物化學(xué)家和細(xì)菌遺傳學(xué)家對LptD和LptE兩個蛋白所進(jìn)行的功能研究。
LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)的成功解析不僅是外膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的一個重大突破，也是細(xì)菌脂多糖生成這一研究領(lǐng)域的一個重大進(jìn)展。鑒于脂多糖對細(xì)菌功能的重要性，LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體一直是重要的藥物靶點(diǎn)。LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，為設(shè)計新型抗革蘭氏陰性細(xì)菌藥物提供了重要的信息。
Nature雜志同期以Structural biology: Lipopolysaccharide rolls out the barrel 為題對該項(xiàng)成果進(jìn)行了小結(jié)報道；Nature Reviews Microbiology 雜志編輯部以Putting it out there 為題對該項(xiàng)工作進(jìn)行了亮點(diǎn)介紹（Highlight）。
圖為LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)與脂多糖跨外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)組裝模型。a. LptD與LptE結(jié)構(gòu)域示意圖；b. LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)；c. LptD桶壁上脂多糖出口的結(jié)構(gòu)特征；d. 脂多糖跨細(xì)菌外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)與組裝機(jī)理示意圖。
二、XAFS線站用戶在手性單壁碳納米管可控生長研究中取得重要突破
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院李彥教授課題組在單壁碳納米管手性可控生長研究中取得重要突破，該項(xiàng)成果于2014年6月26日在《自然》雜志上發(fā)表（Nature, DOI 10.1038/nature13434）。
單壁碳納米管是一類重要的碳基材料，由于具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)而被人們廣泛應(yīng)用于碳基納電子學(xué)研究中，它可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圓柱體，根據(jù)卷曲方式（通常稱為“手性”）的不同，可以是金屬性導(dǎo)體或帶隙不同的半導(dǎo)體。這一獨(dú)特而優(yōu)異的性質(zhì)同時也是碳納米管制備上的巨大挑戰(zhàn)。用一般方法合成的樣品均為不同結(jié)構(gòu)的碳納米管組成的混合物，而單一手性單壁碳納米管的選擇性生長成為一個難題，經(jīng)過國內(nèi)外科學(xué)家二十余年的努力仍未找到有效的解決方案。
李彥教授課題組經(jīng)過十二年的潛心研究，逐步深化了對碳納米管的生長機(jī)制和催化劑作用的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上提出了一種實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管結(jié)構(gòu)/手性可控生長的方案。他們發(fā)展了一類鎢基合金催化劑，其高熔點(diǎn)的特性確保了單壁碳納米管在高溫環(huán)境下的生長過程中保持晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的原子排布方式可用來調(diào)控生長的碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)/手性可控生長。他們利用這種方法生長出了含量高于92%的（12, 6）型碳納米管。通過調(diào)控催化劑的結(jié)構(gòu)，他們還實(shí)現(xiàn)了（16,0）和（14,4）碳納米管的選擇性生長。更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有普適性。
上海同步輻射光源為該研究提供了重要的技術(shù)支撐。課題組在BL14W1- XAFS光束線站獲取了Co元素K邊和W元素L3邊的X射線吸收譜精細(xì)解構(gòu)（XAFS），高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保證了W-Co雙金屬結(jié)構(gòu)的確定，證實(shí)了W和Co元素在1030℃下形成了W-Co合金，這為剖析單壁碳納米管的手性選擇性生長機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
該研究為解決單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)可控生長這一困擾學(xué)界已久的難題提供了一種可能的方案，為碳納米管的應(yīng)用，尤其是碳基電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
在該工作中，BL14W1線站科技人員積極參與，在實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理兩個方面提供了相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)支持，為該成果的發(fā)表作出了貢獻(xiàn)。
以鎢基雙金屬合金納米晶為催化劑生長單一手性的單壁碳納米管
(a)拉曼光譜測得的(12,6)碳管含量；(b)WCo催化劑結(jié)構(gòu)的EXAFS表征。
三、軟x射線譜學(xué)顯微線站用戶在納米顆粒的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制研究方面取得兩項(xiàng)成果
納米顆粒對重金屬生物有效性研究獲進(jìn)展
近日，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室繆愛軍課題組與上海光源合作，利用軟X射線顯微技術(shù)，研究了納米二氧化鈦對鎘在原生動物四膜蟲中富集與毒性效應(yīng)的影響。該項(xiàng)研究成果，已在環(huán)境領(lǐng)域雜志Environmental Science & Technology上在線發(fā)表（TiO2 Nanoparticles Act As a Carrier of Cd Bioaccumulation in the Ciliate Tetrahymena thermophila,http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es500694t）。
課題組利用上海光源BL08U1A線站的掃描透射X射線顯微鏡及X射線雙能吸收襯度成像技術(shù)，在50 nm分辨率下，研究了鈦在四膜蟲細(xì)胞內(nèi)的分布規(guī)律；同時，借助熒光染料及激光掃描共聚焦顯微鏡分析了鎘在四膜蟲細(xì)胞內(nèi)的分布。發(fā)現(xiàn)鈦與鎘的分布具有較高的相似性，均富集于四膜蟲的食物泡中。該結(jié)果首次直接證實(shí)了納米材料可以作為污染物載體將其轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的假設(shè)。因此，在評價納米材料的環(huán)境風(fēng)險時，不但要考慮其對生物的直接作用，也不能忽視其對環(huán)境現(xiàn)存污染物生物有效性的影響。
（a-f）添加納米二氧化鈦前后四膜蟲細(xì)胞內(nèi)鎘的分布；（g）四膜蟲細(xì)胞切片的顯微成像；（h）同一個樣品中鈦的雙能吸收襯度成像。
納米材料的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制研究取得新進(jìn)展
內(nèi)包釓多羥基富勒醇（Gd@C82(OH)22）是一種具有高效低毒抗腫瘤作用的新型納米材料，對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是其發(fā)揮療效的重要途徑之一，但Gd@C82(OH)22激活和調(diào)控機(jī)體免疫的機(jī)制并不清楚。國家納米科學(xué)中心陳春英課題組與上海光源軟X射線顯微成像站密切合作，結(jié)合同步輻射軟X射線掃描透射顯微技術(shù)（STXM）對巨噬細(xì)胞內(nèi)Gd@C82(OH)22的攝入和定位進(jìn)行成像分析，首次在分子水平揭示了金屬富勒醇調(diào)節(jié)機(jī)體免疫的關(guān)鍵信號通路。研究發(fā)現(xiàn)，Gd@C82(OH)22與體內(nèi)固有免疫細(xì)胞-巨噬細(xì)胞的相互作用在免疫調(diào)節(jié)過程中扮演著重要角色。Gd@C82(OH)22可被巨噬細(xì)胞大量攝入并將其活化，激活Toll樣受體/MyD88/NF-ƘB和NLRP3免疫小體介導(dǎo)的信號通路，導(dǎo)致促免疫因子IL-1β的大量分泌，從而高效地調(diào)控天然免疫和獲得性免疫。相關(guān)成果近期作為封面文章發(fā)表于納米科學(xué)期刊Small雜志(PolyhydroxylatedMetallofullerenols Stimulate IL-1βSecretion of Macrophage through TLRs/MyD88/NF-κB Pathway and NLRP3 Inflammasome Activation. Small. 10（12）, 2362–2372)。
值得一提的是，金屬富勒醇納米顆粒的成像一直是研究的難點(diǎn)，主要原因是Gd@C82(OH)22的主要成分為碳、氫、氧原子，僅含一個釓原子，與細(xì)胞主要元素組分的襯度接近，也不具有熒光特性，難以用電子顯微鏡和熒光成像對細(xì)胞內(nèi)的Gd@C82(OH)22成像；因此，對研究Gd@C82(OH)22的細(xì)胞攝入和分布帶來巨大的挑戰(zhàn)。研究人員結(jié)合軟X射線近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué) (NEXAFS), 選取Gd的吸收邊上(1189 eV)及邊前(1185 eV)兩種能量的X射線對巨噬細(xì)胞進(jìn)行掃描透射成像(STXM)，得到了高空間分辨率的能量分布圖像，實(shí)現(xiàn)30 nm空間分辨的元素特異性成像。首次觀察到Gd@C82(OH)22能被巨噬細(xì)胞夠持續(xù)大量攝入，攝入過程具有時間依賴性。這一結(jié)果為研究金屬富勒醇所介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制提供了非常直觀和重要的證據(jù)，同時拓展了同步輻射軟X射線顯微成像技術(shù)在納米藥物研究中的應(yīng)用。
軟X射線掃描透射顯微技術(shù)可觀察到Gd@C82(OH)22被巨噬細(xì)胞大量攝入及其在細(xì)胞內(nèi)定位
