英國劍橋分子生物學(xué)實驗室的冷凍電子顯微鏡圖片來源：劍橋MRC分子生物學(xué)實驗室

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

據(jù)《自然》報道，近年來，各實驗室向電子顯微鏡數(shù)據(jù)庫(EMDB，由歐洲生物信息研究所建立，旨在滿足學(xué)術(shù)界對于冷凍電鏡數(shù)據(jù)的需求)提交的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，這主要因為全世界實驗室cryo-EM數(shù)量的爆發(fā)式增長。盡管數(shù)據(jù)庫也接收其他電子顯微鏡結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)，但其中絕大部分數(shù)據(jù)來自cryo-EM。

cryo-EM通過將蛋白質(zhì)或其他生物分子急速冷凍，并用電子對其轟擊，從而生成單個分子的顯微圖像。它們被用來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、它們在疾病中如何發(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射線對其連續(xù)打擊，并根據(jù)衍射光的信號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，因為有些蛋白質(zhì)可能需要數(shù)月或數(shù)年才能結(jié)晶，而有些甚至根本無法結(jié)晶。

這便體現(xiàn)出cryo-EM的優(yōu)越性，該方法無需蛋白質(zhì)結(jié)晶，但這項技術(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。

該項技術(shù)專家、英國劍橋MRC分子生物學(xué)實驗室(LMB)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Sjors Scheres說，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)展的貢獻獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎。他說，即使在這項技術(shù)取得進步后，最初的增長也很緩慢，因為只有少數(shù)實驗室配置了該設(shè)備。但當他們開始使用冷凍技術(shù)繪制分子的詳細結(jié)構(gòu)圖像時，比如被稱作蛋白質(zhì)制造機器的核糖體，這項技術(shù)很快就引起了其他科學(xué)家及其所在機構(gòu)和資助者的注意。

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

他預(yù)計，到2024年，利用冷凍電鏡技術(shù)測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)量將超過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。

此外，Henderson還認為cryo-EM的發(fā)展將在某個時期開始放緩。他說，影響其快速增長的一個因素是成本高，一臺如此強大的顯微鏡其成本可能超過500萬英鎊(700萬美元)。而它們每天的運行成本也高達數(shù)千英鎊，并且需要專門的實驗室來安置，以降低震動。

Henderson正在努力說服相關(guān)公司開發(fā)性能好且價格更便宜的cryo-EM，以進一步推廣這項技術(shù)。(徐銳)