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。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)造出了有史以來分辨率最高的冷凍電鏡，通過它所拍攝的圖譜能夠以接近原子級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。這項新發(fā)現(xiàn)將非常有助于制藥公司的新藥研發(fā)。

“這項突破開創(chuàng)了蛋白質(zhì)成像的一個新時代?！本吐氂诿绹l(wèi)生研究院的弗朗西斯·科林斯（Francis Collins）驚嘆道。他是美國國家癌癥研究所（NCI）研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人。也許科林斯的觀點并不全面。但大部分人仍表示這樣的創(chuàng)舉絕對算得上一個重要的里程碑。來自休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)生物學(xué)家瓦·邱（Wah Chiu）就這樣評價道，“這是技術(shù)上的一大進(jìn)步，表明冷凍電鏡技術(shù)對科研將是一個巨大的幫助?！?/p>

冷凍電鏡技術(shù)曾被認(rèn)為是被時代所遺棄的技術(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)過液態(tài)氮瞬間冷凝過的蛋白質(zhì)薄膜上，之后傳感器便可對電子散射離開蛋白質(zhì)的不同方式進(jìn)行跟蹤。基于這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完成剩余工作。

距離冷凍電鏡技術(shù)的誕生已經(jīng)過去幾十年了。但其分辨率仍無法達(dá)到X射線和核磁共振的分辨級別。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。今年早些時候，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試圖提高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)圖像的分辨精度對冷凍電鏡是非常好的測試案例，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，從而核實其準(zhǔn)確性。他進(jìn)一步補(bǔ)充道，當(dāng)前的研究重點包括了使蛋白質(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，雖然這還無法精細(xì)到原子級別，但足以幫助科研人員觀察到對分子起關(guān)鍵作用的蛋白水分子結(jié)合處。

該項成果將有助于結(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)組合開發(fā)出新的藥物。但無論是在成像學(xué)或是生物學(xué)中，有一點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革命性的質(zhì)變。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：粒灰]