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结构生物学里程碑:低温电子显微镜技术时代来临

导读: 低温电子显微镜震惊了结构生物学。过去30年里,低温电子显微镜揭示了核糖体、膜蛋白和其它关键细胞蛋白的精细结构。这些发现都发表在顶级杂志上。结构生物学家们表示,毫不夸张地说,低温电子显微技术正处于革命之中:低温电子显微镜能够快速生成高分辨率的分子模型,这一点远超X射线晶体衍射等方法。

  X射线晶体衍射技术(X-RAYCRYSTALLOGRAPHY)即将成为历史,低温电子显微技术(CRYO-ELECTRONMICROSCOPY)引起了揭示细胞内隐秘机制的革命。

  在剑桥大学一幢建筑的地下室里,一场技术革命正在酝酿。

  一个笨重的、大约3米高的金属盒子通过连接细胞的橙色缆线,安安静静地传输着以万亿字节计算的数据。这是世界上最先进的低温电子显微镜之一:低温电子显微镜通过电子束对冷冻的生物分子进行成像,从而得到分子的三维结构。站在这个耗资770万美金的仪器旁,英国医学研究委员会分子生物学实验室(UK Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology,LMB)的结构生物学家SjorsScheres表示,低温电子显微镜非常敏感,一声喊叫就会带来极大误差,导致实验失败。“英国需要更多低温电子显微镜,因为未来它会成为结构生物学的主流。”

  低温电子显微镜震惊了结构生物学。过去30年里,低温电子显微镜揭示了核糖体、膜蛋白和其它关键细胞蛋白的精细结构。这些发现都发表在顶级杂志上。结构生物学家们表示,毫不夸张地说,低温电子显微技术正处于革命之中:低温电子显微镜能够快速生成高分辨率的分子模型,这一点远超X射线晶体衍射等方法。依靠旧方法获得诺奖的实验室也在努力学习这一技术。这种新模型能够准确地揭示细胞运行的必要机制,以及如何靶向针对疾病相关的蛋白。

  “低温电子显微镜能够解决很多以前无法解决的谜题。”旧金山加利福利亚大学(University of California)的结构生物学家DavidAgard这样说道。

  几年前Scheres被招进LMB,任务是帮助改进低温电子显微镜,最终他成功了。上个月,他们发表了这个领域最令人振奋的成就:阿兹海默症相关的酶的高清图片,图片包括该酶的1200左右个氨基酸,分辨率达到零点几纳米。

  生物学家们如今仍在努力发展该技术,以期用它解决小分子或可变形分子的精微结构——这对低温电子显微镜来说,也是一大挑战。来自加利福利亚大学(UniversityofCalifornia)的结构生物学家EvaNogales表示,叫它革命也好,飞跃也好,低温电子显微镜的确打开了一扇大门。

  蛋白结晶

  结构生物学领域有一条不成文的观点:结构决定功能。只有知道生物分子的原子排布,研究者们才能了解这个蛋白的功能。例如,核糖体是如何根据mRNA的序列来制造蛋白,分子孔道是如何开和关的。几十年来,分析蛋白结构有一个无冕之王——X射线晶体衍射。在X射线晶体衍射中,科学家们让蛋白结晶,接着利用X射线照射,随后根据X射线的衍射来重建蛋白的结构。在蛋白质数据银行(ProteinDataBank)的100,000多条蛋白词目里,超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术解析得到的。很多诺贝尔奖也与这一技术相关,例如1962年揭示DNA双链螺旋结构的诺奖。

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