Na era pós-genômica, o desenvolvimento da proteína fluorescente verde (GFP) como repórter de molécula única para microscopia de luz revolucionou o campo da pesquisa moderna em ciências da vida 1,2. Por décadas, a microscopia eletrônica (ME) tem sido uma poderosa ferramenta para observar intuitivamente a ultraestrutura celular com resolução nanométrica3; no entanto, a identificação precisa e a localização de moléculas proteicas permanecem desafiadoras.
A técnica de marcação EM mais comumente usada é a imunomicroscopia eletrônica (EIM), que é baseada na reação antígeno-anticorpo. No entanto, embora muitas técnicas tenham sido desenvolvidas no campo da marcação de EIM, incluindo EIM pré-embutida e IEM pós-incorporação (em seções de resina ou criossecções hidratadas), ela ainda sofre de baixa eficiência de marcação (<10%)4,5, que está relacionada à preparação da amostra e à qualidade dos anticorpos. Para superar essas limitações, o desenvolvimento de tags codificadas geneticamente tem grande potencial de aplicação.
Dois tipos principais de tags EM foram exaustivamente explorados nos últimos anos. Um tipo é o método de coloração DAB, que utiliza tags como APEX2 para oxidar 3,3'-diaminobenzidina (DAB) a polímeros osmiofílicos para visualização de EM6,7,8,9,10,11,12. Ele permite a marcação de proteínas de alta abundância em regiões subcelulares, mas não é adequado para contagem de molécula única. O outro tipo utiliza proteínas ligadoras de metais, como ferritina 13 e metalotioneína (MT)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, para gerar depósitos metálicos elétron-densos em situ para visualização EM. Apenas este último tem potencial real para visualização e contagem de molécula única. O tamanho molecular da ferritina é muito grande (~450 kD) para ser usado como uma etiqueta promissora, enquanto o pequeno tamanho (~5 kD) da MT e sua capacidade de ligar vários íons através de suas 20 cisteínas têm atraído grande atenção. Vários laboratórios têm tentado rotular proteínas purificadas de fusão de MT ou células que expressam MT incubando diretamente com Au+. Essas tentativas provaram inicialmente que os tags MT podem se ligar a íons ouro para formar sinais de alto contraste, mas nenhum realmente conseguiu a identificação efetiva de proteínas individuais em células, e eles não são amplamente aplicáveis 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.
A técnica de síntese de AuNP baseada em ANSM, que envolve a síntese de AuNPs de tamanho 2-6 nm diretamente em tags ricos em cisteína (por exemplo, MT, as variantes MTn e MTα, AFP) como marcadores elétron-densos para visualização EM, é a primeira abordagem confiável e aplicável para marcação de proteínas e detecção de molécula única em células24,25,26. Ele permite a síntese específica de AuNPs em proteínas isoladas de fusão de tags e alcançou uma eficiência de marcação sem precedentes em células procarióticas (E. coli) e eucarióticas (S. pombe) não fixas ou quimicamente fixadas. No entanto, a implementação do mesmo protocolo em sistemas mais avançados, como células de mamíferos ou mesmo tecidos, envolve desafios adicionais, como a homeostase redox intracelular mais complexa e a estrutura celular mais frágil.
Este estudo apresenta uma tecnologia de marcação EM clonável, que combina a nova técnica de síntese de AuNP baseada em ANSM para marcação de etiquetas ricas em cisteína (MT) codificadas geneticamente com o método de preparação de amostra HPF/FSF-reidratação-HPF/FSF, permitindo a identificação inequívoca de uma única molécula de proteínas marcadas na membrana de RE, lúmen de ER e matriz mitocondrial em células HeLa. O método atual combina as características de alta eficiência de rotulagem, uma alta relação sinal-ruído, marcação de molécula única e forte universalidade, e este método tem amplas perspectivas de aplicação na pesquisa em ciências da vida.