本·奥兰多（Ben Orlando） 2019年在密歇根州立大学生物化学和分子生物学系的研究演讲为几十年来一直在发展的团队努力奠定了基础。
克罗斯专门研究细菌的遗传和分子力学，长期以来，他一直与斯巴达的同事合作，揭开一种名为SpoIVFB的蛋白质的神秘结构。
作为膜内蛋白酶家族的一员，SpoIVFB存在于模式细菌枯草芽孢杆菌或枯草芽孢杆菌中。在所有生命王国中，这些酶帮助调节基本的细胞过程。
值得注意的是，SpoIVFB对孢子形成至关重要，孢子形成使细菌能够忍受极端环境，包括高温、辐射，甚至太空。
克罗斯对奥兰多在冷冻电子显微镜（cryo-EM）这门前沿科学的精通感兴趣，因为多年来，捕捉SpoIVFB结构的努力遇到了特别的困难。
克罗斯说：“我认为本和我志趣相投。”当奥兰多在2020年夏天加入生物化学和分子生物学学系（BMB）时，克罗斯联系了他，希望共同解决SpoIVFB的结构难题。
“本对我们能在这件事上取得进展非常乐观。”
现在，奥兰多和克罗斯的研究小组在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中，首次展示了高分辨率的经验确定的SpoIVFB结构。
科学家们发现SpoIVFB附着在它的底物上。底物是特定的分子，酶与底物相互作用产生有用的生化产物，就像钥匙打开锁一样。
这项研究对存在于从细菌到人类的生物中的细胞控制系统的理解对微生物学、结构生物学、酶学和人类疾病具有有趣的影响。
这一发现也证明了密歇根州立大学斥资1500万美元升级其尖端低温电子显微镜设备，使斯巴坦大学的研究人员能够突破实验可行性的极限。
密歇根州立大学聘请他作为其全球影响倡议的一部分，这是一个全校范围的项目，旨在解决教育、卫生、能源和环境领域的重大问题。
“Cryo-EM让我们能够窥视到一个我们无法通过任何其他镜头看到的世界。”
生物学拼图的最后一块
由于研究人员能够捕捉到SpoIVFB与其底物相互作用的结构，生物化学家现在对一种关键的生物功能有了更好的了解。
通过一种叫做蛋白质水解的过程，需要水来打破氨基酸之间的肽键，蛋白酶通常有助于蛋白质的分解或“切割”。然而，对于像SpoIVFB这样存在于细胞膜中的蛋白酶来说，这并不是一件容易的事。
利用分子动力学和低温电镜成像技术，Kroos和Orlando验证了SpoIVFB为裂解底物启动的过程，以及水到达裂解底物的路径。
Orlando和Kroos的低温电镜结构显示，SpoIVFB通过一种称为β -薄片增强的过程与基质相互作用。这一发现揭开了一个巨大的生物学谜团的最后一块。所有的生命王国，从最基本的细菌到人类，都有四种膜内蛋白酶。已知其中三种使用β -片增强与底物相互作用。
密歇根州立大学的研究小组终于用他们最近的发现证实了第四个理论。
奥兰多说：“这些结构将β -片增强机制与所有四类膜内蛋白酶联系起来，在生命王国中作为一种共同的机制运作。”奥兰多在2023年被授予詹姆斯·k·比尔曼博士（James K. Billman Jr.）博士学位。
人类健康和结构生物学都从这些发现中受益匪浅。癌症、代谢问题和神经系统疾病都与膜内蛋白酶无法控制细胞过程有关。
Kroos最近被观察到退休后在Pere Marquette河上钓鱼，他在BMB和微生物学，遗传学和免疫学部门拥有令人惊叹的36年职业生涯。该团队的发现也为这一事业提供了一个合适的顶点。
克罗斯说：“在过去的几年里，与本的合作非常棒。我们就这项工作进行了精彩而深入的对话，这是一个真正的高潮。”
从原子到有机体
Kroos和他的BMB科学家同事在他们长达数年的努力中首次使用x射线晶体学来表征SpoIVFB。在这里，结晶样品暴露在x射线下，产生衍射图案，最终揭示了t3D分子结构。
然而，两个反复出现的挑战是所需样品的数量和SpoIVFB晶体的质量。
克罗斯解释说：“SpoIVFB对我们的结晶工作非常有抵抗力，而且很难制造出大量的活性物质。”
奥兰多补充说：“将蛋白质结合成晶体已经足够具有挑战性了。但当你开始谈论像SpoIVFB这样的膜蛋白时，情况就更加复杂了。”
Kroos小组与BMB的同事Michael Garavito、Jian Hu和Michael Feig合作，在他们的结晶尝试中继续取得重要发现，最终导致了SpoIVFB结构的解决。
通过他们最近的合作，Orlando和Kroos能够以前所未有的方式可视化SpoIVFB，避免了x射线晶体学中的一些最大瓶颈。多亏了低温电镜技术，他们能够以前所未有的方式可视化SpoIVFB。在单粒子电子显微镜中，使用电子束对单个蛋白质分子进行二维成像。随后，使用这些2D图片创建目标蛋白质的3D地图。
尽管这些电子提供了许多材料的原子级分辨率的照片，但它们同样可以损害或破坏生物样品。这一障碍为低温电子显微镜的低温应用铺平了道路，这一突破获得了2017年诺贝尔化学奖。
Cryo-EM样品是在一层薄薄的水缓冲液中制备的，然后迅速浸入液态乙烷中，形成“玻璃状”冰，从而防止生物损伤。在冻结的时候，单个粒子被锁定在不同的方向，而不是必须组装成一个晶格来研究。
研究人员可以通过从不同角度捕获数百甚至数百万张照片，为他们正在成像的样本制作一幅非常全面的3D地图。
“这项技术帮助我们越过了那座山，随着技术的进步，我们将越来越深入地探索生物学的新领域，”奥兰多说，
奥兰多也对密歇根州立大学的低温电镜设备扩展对各种领域的研究人员的影响感兴趣，包括材料科学、微生物学和生物化学。
“我认为像这样一个地方的真正力量来自于我们校园里的人们，他们可以利用完全相同的技术和它的广度。这是我所知道的唯一一种方法，我们可以看到从原子到有机体的一切，”奥兰多补充道。
