冷冻电镜首次观察到单个原子

来源: 中国科学报 / 作者: 2020-06-05
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冷冻电镜产生了迄今为止最清晰的图像,并且首次识别出了蛋白质中的单个原子。据《自然》报道,5 月底两个实验室报告的这一突破,巩固了冷冻电镜作为绘制蛋白质 3D 形状的主要工具的地位。

“这是一个里程碑,这是肯定的。真的没有什么可以突破了,这是最后的分辨率屏障。” 领导了其中一项研究的德国马克斯 · 普朗克生物物理化学研究所生物化学家和电子显微镜学家 Holger Stark 说。另一项研究由英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室结构生物学家 Sjors Scheres 和 Radu Ariescu 领导。两篇文章均发布在 bioRxiv 预印本服务器上。

原子分辨率图足够精确,可以在约为 1.2×10-10 米的分辨率下清楚地分辨出蛋白质中单个原子的位置。这些结构对于理解酶是如何工作的,以及利用这些见解来识别能够阻止其活性的药物特别有用。

为了让冷冻电镜达到原子分辨率,这两个团队研究了一种名为去铁蛋白的蛋白质。由于其稳定性,这种蛋白质已经成为冷冻电镜的试验台:该蛋白质结构的分辨率为 1.54×10-10 米,这是之前的纪录。

随后,研究小组通过技术改进,拍摄到了更清晰的去铁蛋白照片。Stark 研究小组得到了这种蛋白质的 1.25×10-10 米结构,提高了所得图像的分辨率。

英国团队获得的 1.2×10-10 米结构非常完整,Scheres 说,他们可以分辨出蛋白质和周围水分子中的单个氢原子。

Scheres 和 Aricescu 还测试了对一种名为 GABAA 受体的蛋白质的简化形式的改进。这种蛋白质位于神经元膜,是全身麻醉剂、焦虑药物和许多其他药物的靶标。去年,Aricescu 团队使用冷冻电镜将该蛋白质定位到 2.5×10-10 米。但使用新的试剂盒,研究人员获得了 1.7×10-10 米分辨率。Aricescu 说:“这就像在你的眼睛上剥去一层模糊的东西。在这个分辨率下,每 0.5×10-10 米就打开了一个完整的宇宙。”

Scheres 说,这些突破可能会巩固冷冻电镜作为大多数结构研究首选工具的地位。但 Stark 认为,X 射线晶体学仍保留一些吸引力。如果一种蛋白质可以结晶,那么它就能在很短时间内相对高效地生成与数千种潜在药物相结合的结构,不过仍然需要数小时到数天的时间,才能为极高分辨率的低温电磁结构生成足够的数据。

Stark 说:“每种技术都有优缺点。人们已经发表了很多论文和评论称冷冻电镜的这些最新进展将成为 X 射线的死亡信号。我对此表示怀疑。”(沙森)

相关论文信息:https://doi.org/10.1101/2020.05.21.106740

https://doi.org/10.1101/2020.05.22.110189

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