冷凍電鏡技術(cryo-EM)已經成為揭示束敏生物分子和材料固有結構的重要工具。然而，高分辨率冷凍電鏡分析仍然受到標本制備控制不佳的限制，迫切需要一種堅固的支撐膜材料來制備理想的樣品。在這里，我們開發了雙分子薄層Janus石墨烯膜，頂層功能化的石墨烯，與表面的目標分子相互作用，而底層保持完整，以加強其機械穩定性。通過我們的方案制備的超凈和雙分子薄層Janus膜，一方面幾乎不會產生額外的噪音，另一方面減少了標本在低溫電子成像時的運動，從而允許對表面官能團的原子分辨率表征。在低溫電鏡標本制備中使用這種Janus膜，我們能夠直接成像鋰枝晶，并以接近原子的分辨率重建大分子。我們的結果表明，雙分子層Janus設計是高分辨率低溫EM和EM成像的一種有前途的支持材料。
圖1 具有不對稱潤濕性的超凈雙層Janus石墨烯膜。(a)雙層Janus石墨烯膜示意圖。 (b)懸浮雙層Janus石墨烯的代表性TEM顯微圖 (c)雙分子層Janus石墨烯氧對構型的原子分辨率STEM圖像。(d, e)典型的光學圖像揭示Janus的親水表層石墨烯網格與水接觸角為51.3 (d)和疏水底層水接觸角為83.8 (e)。(f)均勻的冰膜表層的雙層Janus石墨烯示意圖。(g)雙層Janus石墨烯底層的非均勻冰珠示意圖。
圖2 雙層Janus膜的表面結構處理。(a)由雙層石墨烯薄片(黑色)和氧原子(紅色)組成的分子動力學模型初始構型。(b)模擬動態過程的快照，顯示雙層石墨烯頂層碳氧鍵的形成、碳碳鍵的斷裂和碳的損失。(c)上層晶格缺陷聚并形成納米孔，底層保持完整。(d)高分辨率STEM和TEM圖像顯示了單層石墨烯晶格中的氧對(d)、含氧空位(e)和納米孔(f)。(g i)高分辨率STEM和TEM圖像顯示雙分子層Janus石墨烯頂層的氧對(g)、含氧空位(h)和納米孔(i)。
圖3 雙層Janus膜的機械穩性能和電子束電阻。(a) AFM壓痕實驗示意圖。(b)雙層Janus和功能單層石墨烯的典型加載曲線。 (c)雙層Janus和功能單層石墨烯的斷裂力直方圖。(d)雙層Janus石墨烯在電子輻照下的穩定性 (e)雙層Janus石墨烯上Li樹枝晶的低溫透射電鏡圖像。(f)面板e中顯示SEI與Li金屬界面的綠色區域的高分辨率圖像。
圖4 雙分子層Janus膜用于高分辨率低溫電鏡結構測定。(a)在石墨烯水界面吸附的生物大分子示意圖(藍色)。(b)蛋白酶體顆粒在空氣-水界面(上行)和石墨烯水界面(下行)的代表性冷凍電鏡切片。(c)玻璃化冰中20S蛋白酶體顆粒的空間分布。 (d)雙分子層Janus和單分子層石墨烯上冰膜的屈曲示意圖。 (e)電子束輻射下雙分子層Janus和單層石墨烯上的粒子運動。 (f)重建的50S核糖體的總密度 (g) 50S核糖體重建的傅立葉殼層相關(FSC)圖。 (h)選擇與相應原子模型對接的密度區域。
相關科研成果由北大Hailin Peng，Xiaoding Wei和清華Hong-Wei Wang等人于2021年發表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06233）上。原文：Atomically Thin Bilayer Janus Membranes for Cryo-electron Microscopy。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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