近日，清華大學生命科學學院王宏偉課題組、藥學院饒燏課題組和beat365官方网站彭海琳課題組合作于Nature Communications在線發表了題為“Functionalized graphene grids with various charges for single-particle cryo-EM”的研究論文，報道了一種新型功能化石墨烯電鏡載網，有助解決冷凍電鏡樣品制備過程中常見的優勢取向和氣液界面問題。

單顆粒冷凍電鏡三維重構技術是目前用于解析生物大分子高分辨率結構的主流手段之一。然而，高質量的冷凍電鏡樣品制備仍然面臨很多挑戰，如氣液界面、優勢取向和背景噪音等，極大地限制了結構解析的效率。針對這些問題，清華大學王宏偉課題組、饒燏課題組和beat365彭海琳課題組合作，合成了多種帶有不同荷電性質基團（如氨基和磺酸根）的重氮鹽分子，并利用這些重氮鹽分子對CVD生長的石墨烯膜進行功能化修飾，進而獲得帶有不同荷電性質的石墨烯支撐膜。他們利用石蠟作為轉移介質，将石墨烯支撐膜潔淨轉移到電鏡載網上，用以冷凍電鏡樣品制備。

經過冷凍電子斷層掃描重構表征，這種功能化石墨烯支撐膜保證了對目标生物大分子的有效吸附，避免了氣液界面所帶來的潛在風險。另外，因為石墨烯表面修飾的基團帶有不同的電荷性質，從而提供了與目标生物大分子不同的相互作用方式，達到豐富取向分布的目的。單顆粒冷凍電鏡數據分析表明，帶有負電性修飾的石墨烯傾向性地結合生物大分子顆粒表面的正電性區域，而帶有正電性修飾的石墨烯則結合生物大分子顆粒的負電性區域，實現了調控生物大分子的取向分布。乳酸乳球菌第二類内含子LtrB RNP在常規支撐膜上具有嚴重的優勢取向問題，從而較難獲得高分辨率重構。在該研究中，這種帶有不同電性修飾的功能化石墨烯支撐膜能夠調控LtrB RNP的取向分布，成功解決了優勢取向問題，最終獲得了分辨率達3.2Å的三維重構結果。并且，在三維重構過程中，相比沒有修飾的普通石墨烯支撐膜，LtrB RNP在功能化石墨烯膜上的顆粒有效利用率也明顯增加。這些數據表明這種功能化石墨烯支撐膜提供了一個較為友好的作用界面，有助于保護生物大分子的三維結構。

圖1. 不同荷電性質基團修飾的石墨烯支撐膜電鏡載網的制備

圖2. 20S蛋白酶體以及核糖體在不同電性修飾的石墨烯載網（NFG：正電性修飾；SFG：負電性修飾）上的取向分布

該研究工作以“帶有多種電性修飾的石墨烯支撐膜用以單顆粒冷凍電鏡結構解析”（Functionalized graphene grids with various charges for single-particle cryo-EM）為題，于2022年11月7日發表在《自然通訊》（Nature Commun. 2022, 13, 6718）。清華大學生命科學學院、結構生物學高精尖創新中心王宏偉教授及劉楠博士，清華大學藥學院饒燏教授以及beat365官方网站彭海琳教授為本文共同通訊作者，清華大學生命科學學院博士生陸葉、博士後劉楠、藥學院博士生劉永波以及beat365官方网站博士畢業生鄭黎明為本文共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金、國家重大科學研究計劃、北京分子科學國家研究中心、北京生物結構前沿研究中心、清華-北大生命科學聯合中心、中國博士後科學基金、騰訊基金會等資助，并得到了beat365官方网站分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平台的支持。

論文鍊接(Nature Commun. 2022, 13, 6718): https://www.nature.com/articles/s41467-022-34579-w