葉曉劼/編譯

0.22納米:冷凍電鏡技術(shù)取得新進(jìn)展

葉曉劼/編譯

●低溫冷凍電鏡技術(shù)（(cryo-EMs）最近的發(fā)展，讓研究者們得以觀察到由原子和分子組成的微觀世界。

得益于在光學(xué)、傳感器和后期軟件上的不斷創(chuàng)新，如今的數(shù)碼照片要比若干年前的顯得更加生動(dòng)。低溫冷凍電鏡技術(shù)（(cryo-EMs）最近的發(fā)展，讓研究者們得以觀察到由原子和分子組成的微觀世界。如今研究人員更是自豪地宣布，他們創(chuàng)造出了有史以來(lái)分辨率最高的冷凍電鏡，通過(guò)它所拍攝的圖譜能夠以接近原子級(jí)的分辨率清晰地顯示出蛋白分子結(jié)構(gòu)。其分辨率足可以媲美X線晶體照相術(shù)（x-ray crystallography），并完整勾勒出蛋白質(zhì)原子的輪廓圖譜。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)將非常有助于制藥公司的新藥研發(fā)。

“這項(xiàng)突破開(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)成像的一個(gè)新時(shí)代。”就職于美國(guó)衛(wèi)生研究院的弗朗西斯·科林斯（Francis Collins）驚嘆道。他是美國(guó)國(guó)家癌癥研究所（NCI）研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。也許科林斯的觀點(diǎn)并不全面。但大部分人仍表示這樣的創(chuàng)舉絕對(duì)算得上一個(gè)重要的里程碑。來(lái)自休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)生物學(xué)家瓦·邱（Wah Chiu）就這樣評(píng)價(jià)道，“這是技術(shù)上的一大進(jìn)步，表明冷凍電鏡技術(shù)對(duì)科研將是一個(gè)巨大的幫助?！?/p>

冷凍電鏡技術(shù)曾被認(rèn)為是被時(shí)代所遺棄的技術(shù)，比起如今結(jié)構(gòu)生物學(xué)中各種先進(jìn)工具，冷凍電鏡技術(shù)就像是一件古老的手工古董。借助X線晶體照相術(shù)和核磁共振技術(shù)，研究人員能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)的位置精度確定到0.2納米，其精準(zhǔn)度已經(jīng)達(dá)到了原子級(jí)別。而與此相反，冷凍電鏡的技術(shù)卻一直徘徊在在0.5納米。

冷凍電鏡的工作原理是，將一束電子打在預(yù)先經(jīng)過(guò)液態(tài)氮瞬間冷凝過(guò)的蛋白質(zhì)薄膜上，之后傳感器便可對(duì)電子散射離開(kāi)蛋白質(zhì)的不同方式進(jìn)行跟蹤?；谶@種方式所拍攝的圖譜，描述出的往往是粒子隨機(jī)散落的情況，因此，研究人員還必須借助圖像處理軟件來(lái)完成剩余工作。

距離冷凍電鏡技術(shù)的誕生已經(jīng)過(guò)去幾十年了。但其分辨率仍無(wú)法達(dá)到X射線和核磁共振的分辨級(jí)別。我們一直將其戲稱為“漿糊學(xué)（blob-ology）”，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)生物學(xué)家斯里拉姆·瑟布拉馬尼姆（Sriram Subramaniam）笑稱道。但隨著電子束振蕩器、傳感器和后期成像分析軟件的穩(wěn)步改進(jìn)，冷凍電鏡技術(shù)也得到了飛速的成長(zhǎng)。今年早些時(shí)候，兩組研究人員已經(jīng)突破了0.3納米的分辨率標(biāo)準(zhǔn)，所拍攝的圖譜可以讓研究人員清晰地觀察到兩個(gè)蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈。但盡管如此，研究人員所感興趣的細(xì)節(jié)，仍顯得一片模糊。

瑟布拉馬尼姆和他的同事們?cè)噲D提高β-半乳糖苷的圖像分辨率，在去年研究中，該分辨精度已經(jīng)可以達(dá)到0.33納米。蛋白質(zhì)圖像的分辨精度對(duì)冷凍電鏡是非常好的測(cè)試案例，研究人員可以將得到的圖像與現(xiàn)有的X射線圖像進(jìn)行比較，從而核實(shí)其準(zhǔn)確性。他進(jìn)一步補(bǔ)充道，當(dāng)前的研究重點(diǎn)包括了使蛋白質(zhì)做到完全復(fù)制的純化方法，以及能夠幫助研究人員進(jìn)行圖譜調(diào)節(jié)的軟件優(yōu)化工作。瑟布拉馬尼姆和他的同事利用約40,000獨(dú)立的圖譜拼出目標(biāo)分子的最終形狀。他們將該成果刊登在Science期刊上，通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)，β半乳糖苷酶的最終圖譜的分辨率被定格在0.22納米，雖然這還無(wú)法精細(xì)到原子級(jí)別，但足以幫助科研人員觀察到對(duì)分子起關(guān)鍵作用的蛋白水分子結(jié)合處。

該項(xiàng)成果將有助于結(jié)構(gòu)生物學(xué)家繪制出新的蛋白質(zhì)圖像。除此之外，藥物研究人員也將大大獲利，借助不同的蛋白質(zhì)組合開(kāi)發(fā)出新的藥物。但無(wú)論是在成像學(xué)或是生物學(xué)中，有一點(diǎn)是所有的科技研究工作者都已認(rèn)定的，那就是緩慢的量變終將推動(dòng)革命性的質(zhì)變。

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：?；襗