冷凍電子顯微鏡為細胞修復系統提供了新的見解

活體細胞周圍的細胞膜極為柔韌且敏感。它如何保護自身免受損害並進行自我更新對於許多生命過程至關重要，但目前尚未得到充分的詳細了解。於利希研究中心的科學家現在已經能夠使用冷凍電子顯微鏡獲得令人著迷的新見解。

他們的工作是發表在日記中自然結構與分子生物學。

植物、藻類和細菌的光合作用裝置中的膜蛋白 Vipp1 可以形成各種結構，這些結構可以作為穩定細胞膜的工具，並在必要時強化細胞膜。

在第二項研究中發表在同一期刊中，研究人員也能夠對相關的功能獲得新的見解PspA，存在於細菌中。 Vipp1 和 PspA 這兩種分子都具有不尋常的可塑性，可以採用不同的結構，形成不同直徑的環和管。

細胞膜具有許多重要的功能。例如，它可以保護細胞內部免受環境影響。同時，營養物質透過細胞膜被吸收，廢物被排出體外，細胞之間傳遞訊號。

儘管細胞膜發揮核心作用，但它也非常敏感。它由一層薄薄的脂質組成，儘管本身俱有保護作用，但也容易受到物理壓力、拉伸或化學影響所造成的壓力。紫外線輻射或毒素等環境因素也會損害薄膜。

例如，在植物細胞中，強光會對進行光合作用的葉綠體細胞膜造成嚴重壓力，甚至損害。因此，Vipp1 等蛋白質對於細胞的生存至關重要，因為它們可以保護膜結構並在必要時修復它們。

該機制究竟如何運作尚不完全清楚。然而，得益於最先進的冷凍技術，研究人員現在已經能夠對 Vipp1 和細胞膜之間的相互作用獲得新的見解。他們發現 Vipp1 在細胞膜上形成地毯狀結構並使其穩定。此外，他們還發現了由 Vipp1 製成的環形複合物和管子，裡面充滿了膜，它們可能會「夾斷」受損的膜區域，並連接兩個單獨的膜。

這些發現為蛋白質 Vipp1 和 PspA 改變細胞膜從而保護細胞重要過程的能力提供了新的見解。這些發現可能有助於未來新生物技術應用的開發，例如生物材料的生產或植物光合作用的最佳化。

Vipp1 特別重要，因為它參與類囊體膜（植物細胞葉綠體中的膜）的形成和維持，其中發生光合作用的光反應，即將光轉化為化學能。

有趣的是，其基本機轉與 ESCRT-III 蛋白高度相似，ESCRT-III 蛋白在人類細胞中也高度保守。這些蛋白質在進化過程中基本上保持不變，這表明其具有重要的功能。因此，更好地了解這些蛋白質的結構和功能可能會導致針對細胞膜過程的新藥物的開發，例如抗生素。

兩項研究均使用於利希研究中心恩斯特魯斯卡中心 (ER-C) 的冷凍電子顯微鏡。顯微鏡使研究人員能夠研究其中的蛋白質並觀察它們異常多的結構狀態以及蛋白質和膜之間的相互作用。這些研究是與美因茨約翰內斯古騰堡大學 Dirk Schneider 教授、博士研究小組建立的合作的一部分。