在今天的《自然》雜誌上，刊登了一篇重要研究論文，題為：「低溫電磁法測定原子解析度的蛋白質結構」，這種稱為低溫電子顯微鏡的結構生物學技術已經獲得了在蛋白質中定位單個原子的能力。
結構生物學的一項基本原則是，一旦研究人員可以直接足夠詳細地觀察大分子，就應該有可能了解其三維結構如何賦予其生物學功能。許多科學進步都依賴於儘可能詳細地直接觀察我們周圍的世界，並且越來越致力於可視化對人類疾病具有關鍵作用的生物成分的原子結構。核磁共振光譜，X射線晶體學和低溫電子顯微鏡是目前使用的三種主要結構生物學技術。在這三種方法中，低溫電子顯微鏡已成為當前確定大型動態複合物結構的有效方法，事實證明，其他方法很難獲得這種認知。
研究人員報導了使用稱為單粒子低溫電子顯微鏡的方法獲得的最清晰的圖像，從而首次確定了蛋白質中單個原子的位置。這些進展將幫助研究人員以前所未有的解析度更好地了解蛋白質在健康和疾病中的工作方式，並有可能幫助設計更好的療法。
儘管低溫電子顯微鏡是一項已有數十年歷史的技術，但由於一系列技術和算法方面的進步，推動了該技術可獲得的解析度的驚人提高，因此自2013年以來它已引起越來越多的關注，被稱為``解析度革命''。
收集單粒子低溫電子顯微鏡數據始於已應用於特殊樣品網格的蛋白質樣品。將其插入液態乙烷中，快速凍結並將蛋白質顆粒捕獲在非晶冰薄膜中。通過施加電子束而獲得的樣品網格中單個粒子的二維圖像在計算上取平均，以生成三維結構。二維圖像令人難以置信的「嘈雜」，因為必須使用低劑量的電子以避免損壞對輻射敏感的生物樣品。因此，這些圖像歷來不適合在原子的詳細程度上確定結構。體學獲得的數據相媲美的單粒子冷凍EM數據。
研究人員利用技術改進來確定稱為鐵蛋白（在沒有金屬的情況下稱為載鐵蛋白）的穩定鐵存儲蛋白的結構，其解析度約為1.2埃，1埃等於10的負10次方米。這些結構是迄今為止確定的最高解析度，並且數據的質量足以分辨載鐵蛋白中的單個原子。
論文報告說，他們已經超過了這項關鍵結構生物學技術的原子成像閾值，其蛋白質結構的解析度約為1.2埃。藍色網格代表低溫電子顯微鏡密度數據，疊加在蛋白質分子結構的原子模型上，其中單個原子顯示為球體，結合成棒狀。碳，氮和氧原子分別是灰色，紅色和藍色。
該技術的成功依賴於硬體的進步，包括諸如球差校正器和採用一系列濾光片的單色儀設備之類的組件，以確保只有能量分布較窄的電子才能與樣品相互作用，從而提高了樣品的解析度。最終的圖像。研究人員應用的另一種技術，是一種冷場發射槍，它產生能量分布較窄的電子，以及一種通過濾除與樣品非生產性相互作用的電子來降低每個圖像噪聲的技術。同時使用新一代高度靈敏的電子檢測相機捕獲數據。
除了分析載鐵蛋白外，研究人員還獲得了一種以1.7埃解析度解析的結構，該結構是A型γ-氨基丁酸（GABAA）受體的一種形式，該結構被設計成比人類常見的更穩定形式。該受體是一種蛋白質複合物，存在於神經元的細胞膜中，是許多治療方法的靶標。對於這樣的生物樣品，通過單顆粒低溫電子顯微鏡獲得如此高的解析度被認為幾乎是不可能的，與結構上剛性的分子如載鐵蛋白相比，這種樣品在結構遷移率方面表現出高水平的靈活性。該結構揭示了以前從未見過的GABAA受體的細節，例如提供了對蛋白質核心中稱為組胺的分子結合的見解。
研究人員描述的低溫電磁硬體的發展推動了單粒子低溫電磁解析度的重大進步。每個團隊使用的硬體都解決了低溫電子顯微鏡成像各個方面的問題，這些方面以前限制了可達到的解析度。藉助這些技術，低溫電子顯微鏡圖像信噪比的提高將擴大該技術的適用範圍。例如，這可能包括使用該技術確定異質樣品的高解析度結構，例如由膜蛋白或構象或組成變化的大分子複合物形成的樣品。這些技術的融合將能夠確定甚至超過1埃的解析度的低溫電磁結構。
參考：www.nature.com/articles/s41586-020-2833-4