Nell'era postgenomica, lo sviluppo della proteina fluorescente verde (GFP) come reporter a singola molecola per la microscopia ottica ha rivoluzionato il campo della moderna ricerca sulle scienze della vita 1,2. Per decenni, la microscopia elettronica (EM) è stata un potente strumento per osservare intuitivamente l'ultrastruttura cellulare con risoluzione su scala nanometrica3; Tuttavia, l'identificazione precisa e la localizzazione delle molecole proteiche rimangono impegnative.
La tecnica di marcatura EM più comunemente usata è la tecnica di marcatura al microscopio immunoelettronico (IEM), che si basa sulla reazione antigene-anticorpo. Tuttavia, sebbene siano state sviluppate molte tecniche nel campo dell'etichettatura IEM, tra cui IEM pre-embedding e IEM post-embedding (su sezioni di resina o criosezioni idratate), soffre ancora di bassa efficienza di etichettatura (<10%)4,5, che è correlata alla preparazione del campione e alla qualità degli anticorpi. Per superare queste limitazioni, lo sviluppo di tag geneticamente codificati ha un grande potenziale applicativo.
Due tipi principali di tag EM sono stati accuratamente esplorati negli ultimi anni. Un tipo è il metodo di colorazione DAB, che utilizza tag come APEX2 per ossidare 3,3'-diaminobenzidina (DAB) in polimeri osmiofili per la visualizzazione EM 6,7,8,9,10,11,12. Consente la marcatura di proteine ad alta abbondanza nelle regioni subcellulari, ma non è adatto per il conteggio di singole molecole. L'altro tipo utilizza proteine leganti i metalli, come la ferritina 13 e la metallotioneina (MT)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, per generare depositi metallici densi di elettroni in situ per la visualizzazione EM. Solo quest'ultimo ha un reale potenziale per la visualizzazione e il conteggio di singole molecole. La dimensione molecolare della ferritina è troppo grande (~450 kD) per essere usata come tag promettente, mentre le piccole dimensioni (~5 kD) della MT e la sua capacità di legare vari ioni attraverso le sue 20 cisteine hanno attirato grande attenzione. Diversi laboratori hanno cercato di etichettare le proteine purificate di fusione MT o le cellule che esprimono MT incubando direttamente con Au+. Questi tentativi hanno inizialmente dimostrato che i tag MT possono legare gli ioni d'oro per formare segnali ad alto contrasto, ma nessuno ha realmente raggiunto l'identificazione efficace delle singole proteine nelle cellule, e non sono ampiamente applicabili 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.
La tecnica di sintesi AuNP basata su ANSM, che prevede la sintesi di AuNP di dimensioni 2-6 nm direttamente su tag ricchi di cisteina (ad esempio, MT, le varianti MT MTn e MTα, AFP) come etichette ad alta densità di elettroni per la visualizzazione EM, è il primo approccio affidabile e applicabile per l'etichettatura delle proteine e il rilevamento di singole molecole nelle cellule24,25,26. Permette la sintesi specifica di AuNPs su proteine isolate di fusione tag e ha raggiunto un'efficienza di marcatura senza precedenti in cellule procariotiche (E. coli) ed eucariotiche (S. pombe) non fisse o chimicamente fissate. Tuttavia, l'implementazione dello stesso protocollo in sistemi più avanzati come le cellule di mammifero o persino i tessuti comporta ulteriori sfide, come la più complessa omeostasi redox intracellulare e la struttura cellulare più fragile.
Questo studio presenta una tecnologia di etichettatura EM clonabile, che combina la nuova tecnica di sintesi AuNP basata su ANSM per l'etichettatura di tag ricchi di cisteina geneticamente codificati (MT) con il metodo di preparazione del campione HPF / FSF reidratazione HPF / FSF, consente l'identificazione univoca di singole molecole di proteine marcate nella membrana ER, nel lume ER e nella matrice mitocondriale nelle cellule HeLa. Il metodo attuale combina le caratteristiche di un'elevata efficienza di etichettatura, un elevato rapporto segnale-rumore, etichettatura a singola molecola e forte universalità, e questo metodo ha ampie prospettive di applicazione nella ricerca sulle scienze della vita.