低溫電子顯微鏡終於打破了原子解析度的障礙
2020-11-25 騰訊網
低溫電子顯微鏡揭示了載鐵蛋白的原子細節，載鐵蛋白是一種中空的球形蛋白質複合物，可存儲鐵
如果要繪製蛋白質的最小部分，則只有幾種選擇：可以哄騙數百萬個蛋白質分子排列成晶體，然後使用X射線晶體學對其進行分析。或者，您可以凍結蛋白質的副本並用電子轟擊它們，這是一種較低解析度的方法，稱為冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）。現在，科學家們首次將cryo-EM的解析度提高到了原子水平，從而使他們可以精確定位各種蛋白質中單個原子的位置，其解析度可以與X射線晶體學相媲美。
「這真是太神奇了，」密西根大學安阿伯分校的低溫電磁學專家梅拉妮·奧希說。「要看到這種細節水平，那就太漂亮了。」由於提高的解析度可以準確顯示出複雜的細胞機器如何執行其工作，因此，冷凍-EM的改進將為生物學帶來無數的新見解。
為了繪製蛋白質結構圖，自1950年代後期以來，科學家一直在使用X射線晶體學。通過用X射線轟擊結晶的蛋白質並分析X射線彈跳的方式，科學家可以算出蛋白質可能的組成和形狀。X射線束，檢測器和計算機功能的數十年改進使該方法變得快速，準確。但是，當蛋白質過大，在核糖體等複合物中起作用或無法結晶時，這種方法就不能很好地起作用，就像細胞膜中的許多蛋白質一樣。
相比之下，研究人員在不需要結晶的冷凍蛋白質的副本上使用冷凍電磁發射電子。檢測器記錄電子的偏轉，先進的軟體將圖像拼接在一起，算出蛋白質的組成和形狀。日本的研究人員此前曾表明，他們可以將一種可以結合併存儲鐵的腸蛋白質-載鐵蛋白（Apoferritin），將分辨力範圍縮小到1.54埃（尚未完全達到分辨單個原子的程度）。現在，藉助電子束技術，檢測器和軟體的改進，來自英國和德國的兩組研究人員將其範圍縮小到1.25埃或更高，並且足夠銳利，可以計算出單個原子的位置，今天在《自然》雜誌上報導。
增強的解析度可能會加速結構生物學家已經開始向冷凍電磁法轉變。目前，該技術僅適用於異常堅硬的蛋白質。接下來，研究人員將力爭用剛性較小的大型蛋白質複合物（例如剪接體，蛋白質和RNA分子的大型複合物）從擬定轉化為蛋白質的RNA中剔除「內含子」，以達到類似的高解析度。
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《自然》雜誌:低溫電子顯微鏡達到了原子解析度水平
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科學：使用透射電子顯微鏡以原子方式分辨光束敏感材料的圖像！阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的工作人員設計了一種使用透射電子顯微鏡採集光敏材料的原子分辨圖像的方法。「電子束敏感材料的高解析度成像是透射電子顯微鏡（TEM）最困難的應用之一。突出的挑戰是使用極低電子劑量獲取圖像，這是尋找晶體時固有的時間限制在樣品損壞之前的區域軸，精確的圖像對準和離焦值的準確確定，「餘漢教授解釋說。 -
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評選委員會說，科學發現往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進行成功顯像的基礎之上，但是在很長時間裡，已有的顯微技術無法充分展示分子生命周期全過程，在生物化學圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡（Cryo—EM）將生物化學帶入了一個新時代。 -
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冷凍電鏡技術突破原子解析度障礙
圖片來源：PAUL EMSLEY如果想繪製出蛋白質最微小的部分，科學家通常選擇不多：使數百萬個單個蛋白質分子排列成晶體，然後用X射線晶體學分析它們；或者快速冷凍蛋白質的副本，然後用電子轟擊它們，這是一種低解析度的方法，叫做冷凍電鏡技術 -
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超高解析度顯微鏡:顯微鏡發展史上的新突破
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