科研人员利用单分子液相电镜成像测量了分子构象遍历性

生物大分子在溶液中经历快速、多样的构象转变，其原位实时成像存在挑战。单分子液相电镜技术提供了一种可能的解决方案。为说明该技术可以揭示在体相溶液中无法捕捉到的瞬时中间构象态，北京大学化学与分子工程学院王欢课题组使用336bp质粒验证了构象态之间的相互转换是可逆的，当实验数据集足够大（>50,000张分子照片），其足以捕获高能级、低概率的状态；电子束虽然不能避免与样品相互作用，但是在合适的电子剂量下，分子录影依然保留分子的本征热力学性质。各态占比转化符合玻尔兹曼分布，各态能级差在0.5-2kbT。

A：环状DNA构象态；B：构象态实时转化的液相电镜图；C：构象态概率分布和环数平方的关系，D. 构象态转化概率和分布

该工作验证了在使用单分子液相电镜技术对于生物大分子成像时，即系综平均结果与时间平均结果相吻合，表明单分子液相电镜方法就像一台“慢动作”照相机，可以捕捉无法在体相溶液中捕获的丰富构象态和其连续变化，有望拓展于其他生物大分子的构象变化和互作的动力学研究。

该工作以“The ergodicity question when imaging DNA conformation using liquid cell electron microscopy”为题，以“brief report”形式发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。论文通讯作者是麻省理工大学Steve Granick教授和北京大学化学与分子工程学院王欢助理教授，第一作者分别是北京大学化学与分子工程学院博士生李佳烨和生命科学学院博士生刘番。合作者包括北京大学化学与分子工程学院夏斌教授、生命科学学院博士生徐靖，韩国蔚山科技大学Oh-Hoon Kwon教授和加州理工大学Ye-Jin Kim。该工作得到北京大学整合谱学中心和分析测试中心的支持和帮助。

王欢课题组致力于发展单分子液相电镜成像技术和动态定量分析方法（Adv. Mater. 2017, 29, 1703555, ACS Nano2018, 12, 8572,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2019, 117, 201916065,Micosc. Microanal. 2021, 27, 3, ACS Nano 2022, 11, 18526, Chem Commun. 2023, 59, 1701），以“Single molecule liquid phase electron microscopy”为题对该方法单分子表征作总结和展望（Chin. J. Chem. 2023, 41, 679），以Liquid-phase Electron Microscopy Imaging of Polymer Dynamics 为题对该方法在高分子体系的表征进行综述【Acta Polymerica Sinica 2024, 55(1), 129—148.】。