Abstract The oligomeric organization of membrane proteins in native cell membranes is a critical regulator of their function. High-resolution quantitative measurements of oligomeric assemblies and how they change under different conditions are indispensable to the understanding of membrane protein biology. We report a single-molecule imaging technique (Native-nanoBleach) to determine the oligomeric distribution of membrane proteins directly from native membranes at an effective spatial resolution of ∼10 nm. We achieved this by capturing target membrane proteins in “native nanodiscs” with their proximal native membrane environment using amphipathic copolymers. We established this method using structurally and functionally diverse membrane proteins with well-established stoichiometries. We then applied Native-nanoBleach to quantify the oligomerization status of a receptor tyrosine kinase (TrkA) and a small GTPase (KRas) under conditions of growth-factor binding or oncogenic mutations, respectively. Native-nanoBleach provides a sensitive, single-molecule platform to quantify membrane protein oligomeric distributions in native membranes at an unprecedented spatial resolution.

Abstract The intricate molecular environment of the native membrane profoundly influences every aspect of membrane protein (MP) biology. Despite this, the most prevalent method of studying MPs uses detergent- like molecules that disrupt and remove this vital local membrane context. This severely impedes our ability to quantitatively decipher the local molecular context and comprehend its regulatory role in the structure, function, and biogenesis of MPs. Using a library of membrane-active polymers we have developed a platform for the high-throughput analysis of the membrane proteome. The platform enables near-complete spatially resolved extraction of target MPs directly from their endogenous membranes into native nanodiscs that maintain the local membrane context. We accompany this advancement with an open-access quantitative database that provides the most efficient extraction conditions of 2065 unique mammalian MPs. Our method enables rapid and near-complete extraction and purification of target MPs directly from their endogenous organellar membranes at physiological expression levels while maintaining the nanoscale local membrane environment. Going beyond the plasma membrane proteome, our platform enables extraction from any target organellar membrane including the endoplasmic reticulum, mitochondria, lysosome, Golgi, and even transient organelles such as the autophagosome. To further validate this platform we took several independent MPs and demonstrated how our resource can enable rapid extraction and purification of target MPs from different organellar membranes with high efficiency and purity. Further, taking two synaptic vesicle MPs, we show how the database can be extended to capture multiprotein complexes between overexpressed MPs. We expect these publicly available resources to empower researchers across disciplines to capture membrane ‘nano-scoops’ containing a target MP efficiently and interface with structural, functional, and other bioanalytical approaches. We demonstrate an example of this by combining our extraction platform with single-molecule TIRF imaging to demonstrate how it can enable rapid determination of homo-oligomeric states of target MPs in native cell membranes.