近日，清华大学生命学院王宏伟课题组和北京大学化学分子工程学院彭海琳课题组合作在《Journal of the American Chemical Society》（JACS）上发表题为“Bioactive functionalized monolayer graphene for high resolution cryo-EM”的学术文章。
近年来，冷冻电子显微镜技术得益于硬件和软件的技术革新，发展迅猛，已经成为结构生物学领域中不可或缺的技术手段。然而冷冻电镜技术仍然面临着一些瓶颈，严重限制了该技术解析生物分子结构的效率。其中一个重要瓶颈是冷冻样品的制备。该过程需要将含有生物大分子的溶液加到电镜载网上，然后迅速冷冻到液态乙烷中，将生物大分子瞬间冷冻在一层大约几十纳米厚的玻璃态冰层中。目前通用的样品制备支撑膜容易导致生物大分子吸附到气液界面，从而发生分子结构的变性或者优势取向等问题，造成高分辨率结构解析的困难。
王宏伟课题组和北京大学彭海琳课题组合作，开发利用大单晶石墨烯作为新型生物冷冻电镜支撑膜，并且对石墨烯表面进行功能化修饰，共价联结上生物活性配体（如Ni-NTA官能团），从而使得石墨烯支撑膜具有对目标蛋白质分子的特异亲和性，能够将目标生物分子锚定到石墨烯表面。这种功能化石墨烯电镜支撑膜可以有效地避免生物大分子接触气液界面，并且实现选择性地结合目标分子，有望简化生物样品冷冻电镜样品制备的流程。实验表明，这种基于功能化石墨烯的新型电镜样品支撑膜使得冷冻样品制备的冰层厚度更加容易控制，从而提高了样品制备过程的可重复性。与传统的无定形碳支撑膜相比，单晶石墨烯具有高强度韧度、单原子层、强导电性等特质，大大降低了冷冻电镜成像过程中的支撑膜所产生的背景噪音，增强信噪比，助力高分辨率的生物大分子结构解析。
功能化修饰石墨烯作为电镜支撑膜流程示意图
清华-北大生命科学联合中心项目四年级博士生刘楠、北京大学化学分子工程学院五年级博士生张金灿和北京市结构生物学高精尖创新中心卓越学者陈亚楠博士是文章的共同第一作者，清华大学王宏伟教授，陈亚楠博士和北京大学彭海琳教授是共同通讯作者。该项目获得科技部、国家自然科学基金委、北京市科委等的经费支持。
文章链接：Bioactive functionalized monolayer graphene for high resolution cryo-EM.（JACS，2019，DOI：10.1021/jacs.8b13038）
