英國(guó)劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的冷凍電子顯微鏡圖片來(lái)源：劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室

一項(xiàng)革命性的蛋白質(zhì)三維形狀測(cè)定技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。上周，一個(gè)收集由冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)測(cè)定的蛋白質(zhì)和其他分子結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得了第10000個(gè)數(shù)據(jù)條目。

據(jù)《自然》報(bào)道，近年來(lái)，各實(shí)驗(yàn)室向電子顯微鏡數(shù)據(jù)庫(kù)(EMDB，由歐洲生物信息研究所建立，旨在滿足學(xué)術(shù)界對(duì)于冷凍電鏡數(shù)據(jù)的需求)提交的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這主要因?yàn)槿澜鐚?shí)驗(yàn)室cryo-EM數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)。盡管數(shù)據(jù)庫(kù)也接收其他電子顯微鏡結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)，但其中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自cryo-EM。

cryo-EM通過(guò)將蛋白質(zhì)或其他生物分子急速冷凍，并用電子對(duì)其轟擊，從而生成單個(gè)分子的顯微圖像。它們被用來(lái)重建分子的三維形狀或結(jié)構(gòu)。這有助于揭示蛋白質(zhì)如何工作、它們?cè)诩膊≈腥绾伟l(fā)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(jié)構(gòu)生物學(xué)家青睞的研究方法，該方法首先使蛋白質(zhì)結(jié)晶，然后用X射線對(duì)其連續(xù)打擊，并根據(jù)衍射光的信號(hào)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(zhì)量的分子結(jié)構(gòu)，但并不是所有蛋白質(zhì)都可輕易使用，因?yàn)橛行┑鞍踪|(zhì)可能需要數(shù)月或數(shù)年才能結(jié)晶，而有些甚至根本無(wú)法結(jié)晶。

這便體現(xiàn)出cryo-EM的優(yōu)越性，該方法無(wú)需蛋白質(zhì)結(jié)晶，但這項(xiàng)技術(shù)也存在局限，比如它經(jīng)常生成低分辨率結(jié)構(gòu)。

2012到2013年，由于在硬件和軟件方面的突破，催生了更靈敏的電子顯微鏡和可將拍攝到的圖像轉(zhuǎn)換成分辨率更高的分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜軟件。

該項(xiàng)技術(shù)專家、英國(guó)劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LMB)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Sjors Scheres說(shuō)，這為cryo-EM的迅猛發(fā)展鋪平了道路。

LMB結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Richard Henderson因?qū)ryo-EM技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他說(shuō)，即使在這項(xiàng)技術(shù)取得進(jìn)步后，最初的增長(zhǎng)也很緩慢，因?yàn)橹挥猩贁?shù)實(shí)驗(yàn)室配置了該設(shè)備。但當(dāng)他們開(kāi)始使用冷凍技術(shù)繪制分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖像時(shí)，比如被稱作蛋白質(zhì)制造機(jī)器的核糖體，這項(xiàng)技術(shù)很快就引起了其他科學(xué)家及其所在機(jī)構(gòu)和資助者的注意。

Henderson說(shuō)：“所有投資于其他研究和做出錯(cuò)誤決定的人，花了一年的時(shí)間才趕上來(lái)。”

他預(yù)計(jì)，到2024年，利用冷凍電鏡技術(shù)測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)量將超過(guò)X射線晶體衍射法。cryo-EM已經(jīng)取代了X射線晶體衍射，成為科學(xué)家特別感興趣的研究嵌入細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)的工具。許多膜蛋白與疾病有關(guān)，可為藥物提供靶點(diǎn)。

此外，Henderson還認(rèn)為cryo-EM的發(fā)展將在某個(gè)時(shí)期開(kāi)始放緩。他說(shuō)，影響其快速增長(zhǎng)的一個(gè)因素是成本高，一臺(tái)如此強(qiáng)大的顯微鏡其成本可能超過(guò)500萬(wàn)英鎊(700萬(wàn)美元)。而它們每天的運(yùn)行成本也高達(dá)數(shù)千英鎊，并且需要專門的實(shí)驗(yàn)室來(lái)安置，以降低震動(dòng)。

Henderson正在努力說(shuō)服相關(guān)公司開(kāi)發(fā)性能好且價(jià)格更便宜的cryo-EM，以進(jìn)一步推廣這項(xiàng)技術(shù)。(徐銳)