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冷冻电镜应用广阔 助力生物研究取得突破

导读: 2017年10月,三位科学家因冷冻电镜技术获得了诺贝尔化学奖,此后,这一技术获得了更多研究人员关注。目前,冷冻电镜技术已经成为结构生物学研究中的一个利器,改变了生物领域的研究方式,众多研究项目取得了重大突破。

冷冻电镜技术用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输,可直接观察液体、半液体以及对电子束敏感的样品。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样等处理,通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台进行观察,不会影响到样品本身结构。

2017年10月,三位科学家因冷冻电镜技术获得了诺贝尔化学奖,此后,这一技术获得了更多研究人员关注。目前,冷冻电镜技术已经成为结构生物学研究中的一个利器,改变了生物领域的研究方式,众多研究项目取得了重大突破。

美国科学家确立端粒酶结构

端粒酶与癌症和老化关系密切,如果能合理运用提取生物端粒酶技术,将有助于揭开人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘。据英国《自然》杂志发表的一篇论文,美国科学家团队使用冷冻电镜技术,以迄今最高的分辨率确定了端粒酶的结构。

以往运用电子显微镜观察生物样品,容易对样品造成电子束辐照损伤,很难获得生物样品的高分辨率信息。美国加州大学伯克利分校研究人员凯瑟林·科林斯及其同事利用冷冻电镜技术,确定了人体端粒酶的结构,代表着人类向开发端粒酶相关疗法迈出了重要一步。学界普遍认为,端粒酶结构数据的缺乏,妨碍了临床调控端粒酶的进展,但现在,研究人员终于在亚纳米尺度上得到了该分子与其底物相结合的图像,这将加快提取生物端粒酶技术的研究进展。

中国科研人员重构复杂疱疹病毒

疱疹病毒直径约为150-200纳米,保护病毒基因的核衣壳包含约4000个蛋白组分,尺寸巨大、成分复杂,且容易在纯化过程中造成颗粒局部微小形变。冷冻电镜技术虽可以高分辨率测定生物分子结构,但对于尺寸超过120纳米的生物样品,容易造成颗粒局部欠焦量差异问题。

中国科学院生物物理研究所研究员王祥喜团队,对导致欠焦量差异的物理效应进行矫正,并将单个“单纯疱疹病毒-2”颗粒分成了240个亚单位,进行分类和单颗粒重构,从而将冷冻电镜技术的分辨率提高到3.1埃(1埃等于十分之一纳米)。该团队在原子层面上重构了一种结构和功能极其复杂的疱疹病毒核衣壳,为后续研究病毒核衣壳在神经细胞中的运输提供了“精细化”结构基础。

中美学者成功解析神经突触

中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明和美国加州大学洛杉矶分校周正洪教授合作课题组,在国际上首次利用冷冻电镜技术对完整神经突触进行系统性定量分析,既推动了对突触超微结构与功能的解密,又为复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构技术研究奠定了基础。

据悉,研究团队利用冷冻电子断层三维重构技术,结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术,实现了对中枢神经系统中两类最主要突触——兴奋性/抑制性突触的精确区分及结构特征的定量化分析,获得一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段,首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构,并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡,结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上由来已久的争论。

作为结构生物学中的一个重要研究手段,冷冻电镜技术大大改变了生物研究的方式。如今,各国研究人员纷纷运用这一技术开展科研工作,有效提升了科研效率,为生物领域众多成果的涌出奠定了坚实基础。

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