冷凍電鏡技術「接管」結構生物學—新聞—科學網

2020-12-05 科學網
冷凍電鏡技術「接管」結構生物學
對蛋白質結構測定呈爆發式增長

英國劍橋分子生物學實驗室的冷凍電子顯微鏡 圖片來源：劍橋MRC分子生物學實驗室

　　一項革命性的蛋白質三維形狀測定技術正在蓬勃發展。上周，一個收集由冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）測定的蛋白質和其他分子結構的資料庫，獲得了第10000個數據條目。

據《自然》報導，近年來，各實驗室向電子顯微鏡資料庫（EMDB，由歐洲生物信息研究所建立，旨在滿足學術界對於冷凍電鏡數據的需求）提交的數據呈指數級增長，這主要因為全世界實驗室cryo-EM數量的爆發式增長。儘管資料庫也接收其他電子顯微鏡結構分析的數據，但其中絕大部分數據來自cryo-EM。

cryo-EM通過將蛋白質或其他生物分子急速冷凍，並用電子對其轟擊，從而生成單個分子的顯微圖像。它們被用來重建分子的三維形狀或結構。這有助於揭示蛋白質如何工作、它們在疾病中如何發揮作用，以及如何用藥物靶向它們。

此前幾十年，X射線晶體衍射一直是備受結構生物學家青睞的研究方法，該方法首先使蛋白質結晶，然後用X射線對其連續打擊，並根據衍射光的信號模式重建它們的形狀。

X射線晶體衍射法雖然能夠生成高質量的分子結構，但並不是所有蛋白質都可輕易使用，因為有些蛋白質可能需要數月或數年才能結晶，而有些甚至根本無法結晶。

這便體現出cryo-EM的優越性，該方法無需蛋白質結晶，但這項技術也存在局限，比如它經常生成低解析度結構。

2012到2013年，由於在硬體和軟體方面的突破，催生了更靈敏的電子顯微鏡和可將拍攝到的圖像轉換成解析度更高的分子結構的複雜軟體。

該項技術專家、英國劍橋MRC分子生物學實驗室（LMB）結構生物學家Sjors Scheres說，這為cryo-EM的迅猛發展鋪平了道路。

LMB結構生物學家Richard Henderson因對cryo-EM技術發展的貢獻獲得了2017年諾貝爾化學獎，他說，即使在這項技術取得進步後，最初的增長也很緩慢，因　　為只有少數實驗室配置了該設備。但當他們開始使用冷凍技術繪製分子的詳細結構圖像時，比如被稱作蛋白質製造機器的核糖體，這項技術很快就引起了其他科學家及其所在機構和資助者的注意。

Henderson說：「所有投資於其他研究和做出錯誤決定的人，花了一年的時間才趕上來。」

他預計，到2024年，利用冷凍電鏡技術測定蛋白質結構的數量將超過X射線晶體衍射法。cryo-EM已經取代了X射線晶體衍射，成為科學家特別感興趣的研究嵌入細胞膜的蛋白質的工具。許多膜蛋白與疾病有關，可為藥物提供靶點。

此外，Henderson還認為cryo-EM的發展將在某個時期開始放緩。他說，影響其快速增長的一個因素是成本高，一臺如此強大的顯微鏡其成本可能超過500萬英鎊（700萬美元）。而它們每天的運行成本也高達數千英鎊，並且需要專門的實驗室來安置，以降低震動。

Henderson正在努力說服相關公司開發性能好且價格更便宜的cryo-EM，以進一步推廣這項技術。

 

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