水熊虫，这一古老的微生物以其胖乎乎的熊状外形和在极端条件下生存的惊人能力而闻名。科学家们利用现代技术，借助水熊虫揭示生命分子构造的基本形式和功能。这种水生微生物，也被称为缓步动物，能够耐受极端的高温和严寒，因为它们会产生一组特殊的分子，称为晚胚发生丰富（LEA）蛋白，这些分子可以保护水熊虫免受损伤。
这些蛋白质能够保持水熊虫的细胞结构和蛋白质完整，使其在面临不可居住的环境时能够干涸并进入休眠状态，待环境安全时重新水合并苏醒，有时这种状态可以持续数十年。在最近一项由威斯康星大学麦迪逊分校研究员林启志领导的研究中，发表在《自然通讯》杂志上，科学家发现这些相同的蛋白质能帮助解决高质量显微镜图像技术中的一大挑战，特别是冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术。
林启志已经向威斯康星校友研究基金会提交了这项研究方法的临时专利。冷冻电子显微镜通过在薄的水基膜中冻结样品，再利用强大的电子显微镜拍摄图像，从而捕捉极小的蛋白质和其他生物分子的瞬间状态。然而，在样品边缘附近，即空气与水接触处，生物分子受损的可能性更大，导致难以清晰确定某些蛋白质的结构。这种技术对于林的研究至关重要，因为他致力于揭示蛋白质的形态（外观）和功能（行为）之间的关系。
冷冻电子显微镜技术还在识别潜在的药物治疗靶点方面发挥作用，二者都需要捕捉清晰的图像。作为生物化学系的教授，林思考是否在冷冻电子显微镜试验前在显微镜样品中加入水熊虫和其他微生物如线虫的LEA蛋白，能否防止生物分子受损并产生更好的图像。“很多时候，蛋白质会被吸引到空气-水界面。当蛋白质与这个界面互动时，它们可能会在边缘结块或者开始展开并不可逆地改变其形态。
由于这个问题，我们还没有能够完全探索很多蛋白质的结构。”林解释道，“所以我想，也许LEA蛋白能够在其他背景下提高蛋白质的稳健性。”林和他的研究团队，由研究生凯特琳·阿比带领，向含有对于空气-水界面敏感的Polα-primase蛋白的样品中加入LEA蛋白。团队还用LEA蛋白对另一种结构难以捕获的蛋白质PRC2进行成像。
研究人员证明，加入LEA蛋白是一种成本效益高的途径，可以产生更清晰的冷冻电子显微镜图像。其他减轻空气-水界面损伤的方法可能花费高昂且费力，而且可能需要科学家使用更高浓度的他们正在研究的分子。LEA蛋白允许科学家使用与标准样品制备方法相符的样品浓度。它们还可以和其他保护方法结合使用。“加入LEA蛋白是一种易于实施且具成本效益的解决方案，解决了冷冻电子显微镜研究中的瓶颈，”林说道。
“值得兴奋的是，我们是利用自然进化而成的蛋白质来达到类似的目的。”科学家们现在正在努力理解这些蛋白质如何发挥保护作用。“有趣的是，”同样参与此研究的威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系教授蒂姆·格兰特表示，“即使加入LEA蛋白，我们仍然看到生物分子在空气-水界面上，但它们没有展开、变性和分解。在有LEA蛋白存在的情况下，一些之前会分解的蛋白质的结构得以解决。”
同时在莫格里奇研究所担任研究员的格兰特预计，随着更多研究人员将LEA蛋白整合到样品处理中，生物样品、LEA蛋白和空气-水界面之间的关系将会更加清晰。“空气-水界面是个真实的问题，而水熊虫为解决这一问题提供了一个相当酷的方案。”林期待着可以重新开展以前搁置的研究项目。“现在有新的希望去探索我们以前无法研究的蛋白质结构，”他解释道。
“我们正在扩展科学家们用于冷冻电子显微镜样品制备的工具箱，并且我们有可能更多地了解许多在结构生物学中难以视觉化的蛋白质结构。”