北区硬科技（十五）| BGI独创石墨烯电镜载网技术，助力生命科学领域质变升级

生命之基在于蛋白质，人体内存在着数以十万计的不同蛋白质、核酸及其复合体，它们宛如一台台精巧的分子机器，在我们的体内默默运作，维系着生命的每一个细微环节。你是否曾好奇，这些分子机器究竟由哪些精密的零件构成？这些零件又是如何精妙地组装在一起？而这些分子机器在人体中又是如何发挥其独特功能的呢？科学家们对此也充满了好奇与探索的热情！因此，如何利用和发展先进的技术手段，去揭示蛋白质这些分子机器的奥秘，一直是科学界不断探索和追求的前沿课题。

为了深入探索蛋白质这些精妙的分子机器，科学家们先后发明了透射电子显微镜与冷冻电镜，用来解析蛋白质等细胞的内部结构。通过对蛋白质结构不断加深了解，科学家正在持续开发更有效的抗癌药、抗生素、止痛药、麻醉剂等，为医药研发等领域不断注入了新的活力。

我国在相关领域起步较晚，针对蛋白质解析方面仍面临着诸多挑战，其中最为关键的是电镜载网技术的滞后。电镜载网‌是用于电镜观察样品时负载小尺度样品的金属网，主要作用是加固和支撑样品。理想的载网应使冰层（封装和固定样品的区域）均匀分布在上方，样品均匀分散于冰层内，并呈现不同角度和姿态，以便获得丰富的投影信息并最终构建三维模型。

然而，由于传统电镜载网的局限，使冰层与空气存在气液界面，因此会牵引其中的蛋白质吸附于气液界面上，蛋白质接触空气容易导致变性，同时会因为吸附产生优势取向，使大部分蛋白质朝统一方向或角度吸附在气液界面上，导致成像趋于一致，进而难以多角度拟合模型。

此外，传统电镜载网的冰层相对较厚，厚度达50-200纳米左右，冰层越厚，背景噪声越大，最终成像的清晰度就越低。同时，这种冰层往往会形成起伏形貌，导致样品分布不均、漂移等问题。以上种种问题，严重影响了电镜成像的质量和分辨率，也为蛋白质解析工作带来了诸多挑战。

为解决这些难题，北京石墨烯研究院有限公司（BGI）联合北京大学，成功研发出电镜载网单层石墨烯支撑膜技术。该技术为蛋白质样品提供了一个固液界面支撑平台，有效解决了气液界面、优势取向、冰层不均以及样品位移等问题。通过提升成像衬度和富集样品浓度，BGI的石墨烯电镜载网技术为用户实现高分辨率成像及结构解析提供了强有力的支持，推动我国蛋白质解析工作迈向新的高度。

BGI的石墨烯电镜载网技术通过在传统载网表面引入单原子层厚度的高品质单晶石墨烯薄膜，极大地提升了对生物大分子、单原子、纳米颗粒等样品的负载能力。这一创新克服了传统电镜载网在负载蛋白质颗粒时面临的诸多挑战，比如显著提高了颗粒进孔率，有效避免了蛋白质颗粒在气液界面上吸附导致的结构变性和优势取向等，从而大幅提升了制样成功率。

此外，石墨烯独特的力学和电学性能使其在电镜观察中发挥着重要作用。它能够有效抑制电子束引起的样品漂移，保证观察过程的稳定性和准确性。同时，单层石墨烯的厚度达到了原子级别，仅为0.34纳米，几乎达到了透明的程度，这使得在观察过程中几乎无背景噪音干扰，从而极大地提升了成像的分辨率。

得益于BGI独创的石墨烯电镜载网技术，全球结构生物学研究及生物制药领域迎来了新的机遇。如今，包括西湖大学施一公团队、清华大学王宏伟团队、斯坦福大学Wah Chiu团队等在内的国际一流结构生物学家团队已经开始采用这种新型载网进行前沿蛋白质结构探索。同时，BGI已经与清华大学、西湖大学、南方科技大学、上海科技大学、新加坡国立大学化学院、斯坦福大学、马克斯普朗克研究所等全球19个国家与地区超过130多个研究团队建立了深入的合作关系，共同推进相关领域的科学研究，并已取得一系列阶段性成果。

其中，一项令人瞩目的成果是通过BGI石墨烯电镜载网技术成功解析了新冠病毒与人受体关联蛋白ACE2-RBD的高分辨率结构，其分辨率高达2.8埃。这一成果不仅揭示了新冠病毒侵染的结构基础和分子机制，还为相关治疗性抗体药物的研发提供了重要的理论依据。

另一项成果则是利用石墨烯电镜载网技术成功获得了甲胎蛋白AFP的高分辨率结构，分辨率达到了2.6埃。甲胎蛋白作为临床诊断胎儿出生缺陷和肝细胞癌的典型肿瘤标志物，其结构的解析对于相关疾病的诊断和治疗具有重要意义。

此外，BGI还利用4英寸单晶石墨烯晶圆生长出了具有低粗糙度、高均一性、少褶皱的单晶石墨烯薄膜。这种薄膜转移到冷冻透射电镜载网上后，形成了新型超平整石墨烯载网，进一步提升了样品的解析质量。目前，这种载网已成功应用于多种小分子蛋白质解析，包括Streptavidin（链霉亲和素），Hemoglobin（血红蛋白）等，实现了高分辨率的结构重构，分别达到了2.2埃和3.5埃的精度（数值越低精度越高）。这些成果充分展示了BGI石墨烯电镜载网技术在结构生物学研究领域的巨大潜力和广阔前景。

结语

目前，石墨烯电镜载网技术已经极大地推动了生命科学领域的研究进展，助力科学家们解析了众多以往难以攻克的蛋白质结构，从而为人类带来了革命性、跨越性的科学突破与实际应用价值。未来，BGI将继续依托自身在石墨烯领域深耕多年的研发经验，深入挖掘并充分发挥石墨烯材料的独特性能，为国产冷冻电镜技术的持续创新与蓬勃发展贡献更多力量，共同开启生命科学研究的崭新篇章。

北京石墨烯研究院有限公司

BGI位于北京自贸试验区科技创新片区核心区——中关村科学城北区翠湖科技园，由北京大学牵头、北京市政府和社会资本共同出资建设。自成立以来，BGI以探索石墨烯原材料制备和装备为核心，积极布局了通用大尺寸石墨烯薄膜、石墨烯单晶晶圆、石墨烯粉体等石墨烯原材料制备技术与装备开发。此外，BGI还不断探索新型石墨烯材料的“杀手锏”级应用，如蒙烯非金属材料、柔性石墨材料、石墨烯高分子复合纤维等。经过多年发展，BGI在石墨烯热管理材料、石墨烯光通信材料、石墨烯医用材料，以及定制型石墨烯材料等专用石墨烯材料制备应用技术方面取得了重要突破，迅速崛起为中国石墨烯产业的领跑者。