冷冻电镜技术(cryo-EM)已经成为揭示束敏生物分子和材料固有结构的重要工具。然而，高分辨率冷冻电镜分析仍然受到标本制备控制不佳的限制，迫切需要一种坚固的支撑膜材料来制备理想的样品。在这里，我们开发了双分子薄层Janus石墨烯膜，顶层功能化的石墨烯，与表面的目标分子相互作用，而底层保持完整，以加强其机械稳定性。通过我们的方案制备的超净和双分子薄层Janus膜，一方面几乎不会产生额外的噪音，另一方面减少了标本在低温电子成像时的运动，从而允许对表面官能团的原子分辨率表征。在低温电镜标本制备中使用这种Janus膜，我们能够直接成像锂枝晶，并以接近原子的分辨率重建大分子。我们的结果表明，双分子层Janus设计是高分辨率低温EM和EM成像的一种有前途的支持材料。
 
  图1 具有不对称润湿性的超净双层Janus石墨烯膜。(a)双层Janus石墨烯膜示意图。 (b)悬浮双层Janus石墨烯的代表性TEM显微图 (c)双分子层Janus石墨烯氧对构型的原子分辨率STEM图像。(d, e)典型的光学图像揭示Janus的亲水表层石墨烯网格与水接触角为51.3 (d)和疏水底层水接触角为83.8 (e)。(f)均匀的冰膜表层的双层Janus石墨烯示意图。(g)双层Janus石墨烯底层的非均匀冰珠示意图。
 
 
图2 双层Janus膜的表面结构处理。(a)由双层石墨烯薄片(黑色)和氧原子(红色)组成的分子动力学模型初始构型。(b)模拟动态过程的快照，显示双层石墨烯顶层碳氧键的形成、碳碳键的断裂和碳的损失。(c)上层晶格缺陷聚并形成纳米孔，底层保持完整。(d)高分辨率STEM和TEM图像显示了单层石墨烯晶格中的氧对(d)、含氧空位(e)和纳米孔(f)。(g i)高分辨率STEM和TEM图像显示双分子层Janus石墨烯顶层的氧对(g)、含氧空位(h)和纳米孔(i)。
 
  
图3 双层Janus膜的机械稳性能和电子束电阻。(a) AFM压痕实验示意图。(b)双层Janus和功能单层石墨烯的典型加载曲线。 (c)双层Janus和功能单层石墨烯的断裂力直方图。(d)双层Janus石墨烯在电子辐照下的稳定性 (e)双层Janus石墨烯上Li树枝晶的低温透射电镜图像。(f)面板e中显示SEI与Li金属界面的绿色区域的高分辨率图像。
 
 
图4 双分子层Janus膜用于高分辨率低温电镜结构测定。(a)在石墨烯水界面吸附的生物大分子示意图(蓝色)。(b)蛋白酶体颗粒在空气-水界面(上行)和石墨烯水界面(下行)的代表性冷冻电镜切片。(c)玻璃化冰中20S蛋白酶体颗粒的空间分布。 (d)双分子层Janus和单分子层石墨烯上冰膜的屈曲示意图。 (e)电子束辐射下双分子层Janus和单层石墨烯上的粒子运动。 (f)重建的50S核糖体的总密度 (g) 50S核糖体重建的傅立叶壳层相关(FSC)图。 (h)选择与相应原子模型对接的密度区域。
  
       相关科研成果由北大Hailin Peng，Xiaoding Wei和清华Hong-Wei Wang等人于2021年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06233）上。原文：Atomically Thin Bilayer Janus Membranes for Cryo-electron Microscopy。

转自《石墨烯研究》公众号