冷冻电镜技术 “接管” 结构生物学

来源: 中国科学报 / 作者: 2020-02-13
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一项革命性的蛋白质三维形状测定技术正在蓬勃发展。上周,一个收集由冷冻电子显微镜(cryo-EM)测定的蛋白质和其他分子结构的数据库,获得了第 10000 个数据条目。

据《自然》报道,近年来,各实验室向电子显微镜数据库(EMDB,由欧洲生物信息研究所建立,旨在满足学术界对于冷冻电镜数据的需求)提交的数据呈指数级增长,这主要因为全世界实验室 cryo-EM 数量的爆发式增长。尽管数据库也接收其他电子显微镜结构分析的数据,但其中绝大部分数据来自 cryo-EM。

cryo-EM 通过将蛋白质或其他生物分子急速冷冻,并用电子对其轰击,从而生成单个分子的显微图像。它们被用来重建分子的三维形状或结构。这有助于揭示蛋白质如何工作、它们在疾病中如何发挥作用,以及如何用药物靶向它们。

此前几十年,X 射线晶体衍射一直是备受结构生物学家青睐的研究方法,该方法首先使蛋白质结晶,然后用 X 射线对其连续打击,并根据衍射光的信号模式重建它们的形状。

X 射线晶体衍射法虽然能够生成高质量的分子结构,但并不是所有蛋白质都可轻易使用,因为有些蛋白质可能需要数月或数年才能结晶,而有些甚至根本无法结晶。

这便体现出 cryo-EM 的优越性,该方法无需蛋白质结晶,但这项技术也存在局限,比如它经常生成低分辨率结构。

2012 到 2013 年,由于在硬件和软件方面的突破,催生了更灵敏的电子显微镜和可将拍摄到的图像转换成分辨率更高的分子结构的复杂软件。

该项技术专家、英国剑桥 MRC 分子生物学实验室(LMB)结构生物学家 Sjors Scheres 说,这为 cryo-EM 的迅猛发展铺平了道路。

LMB 结构生物学家 Richard Henderson 因对 cryo-EM 技术发展的贡献获得了 2017 年诺贝尔化学奖。他说,即使在这项技术取得进步后,最初的增长也很缓慢,因为只有少数实验室配置了该设备。但当他们开始使用冷冻技术绘制分子的详细结构图像时,比如被称作蛋白质制造机器的核糖体,这项技术很快就引起了其他科学家及其所在机构和资助者的注意。

Henderson 说:“所有投资于其他研究和做出错误决定的人,花了一年的时间才赶上来。”

他预计,到 2024 年,利用冷冻电镜技术测定蛋白质结构的数量将超过 X 射线晶体衍射法。cryo-EM 已经取代了 X 射线晶体衍射,成为科学家特别感兴趣的研究嵌入细胞膜的蛋白质的工具。许多膜蛋白与疾病有关,可为药物提供靶点。

此外,Henderson 还认为 cryo-EM 的发展将在某个时期开始放缓。他说,影响其快速增长的一个因素是成本高,一台如此强大的显微镜其成本可能超过 500 万英镑(700 万美元)。而它们每天的运行成本也高达数千英镑,并且需要专门的实验室来安置,以降低震动。

Henderson 正在努力说服相关公司开发性能好且价格更便宜的 cryo-EM,以进一步推广这项技术。(徐锐)

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