冷冻电镜技术“接管”结构生物学

英国剑桥分子生物学实验室的冷冻电子显微镜图像来源:剑桥分子生物学实验室

一种革命性的蛋白质三维形状测量技术正在蓬勃发展。上周，一个收集冷冻电镜测定的蛋白质和其他分子结构的数据库获得了第10000个数据条目。

据《自然》杂志报道，近年来，实验室提交给电子显微镜数据库(EMDB，由欧洲生物信息研究所建立，以满足对冷冻电子显微镜数据的学术需求)的数据呈指数级增长，主要是由于全球冷冻电子显微镜实验室数量的爆炸性增长。虽然数据库也接收来自其他电子显微镜结构分析的数据，但大部分数据来自冷冻电镜。

冷冻电镜通过快速冷冻蛋白质或其他生物分子并用电子轰击它们，产生单个分子的显微图像。它们被用来重建分子的三维形状或结构。这有助于揭示蛋白质是如何工作的，它们在疾病中是如何发挥作用的，以及药物是如何靶向它们的。

几十年来，X射线晶体衍射一直是结构生物学家青睐的研究方法。这种方法首先使蛋白质结晶，然后用x光连续照射它们，并根据衍射光的信号模式重建它们的形状。

虽然X射线晶体衍射可以产生高质量的分子结构，但并不是所有的蛋白质都可以轻易使用，因为有些蛋白质可能需要几个月或几年的时间才能结晶，而有些蛋白质甚至可能根本就不会结晶。

这显示了低温电磁的优越性。该方法不需要蛋白质结晶，但是该技术也有局限性，例如它经常产生低分辨率的结构。

从2012年到2013年，硬件和软件的突破催生了更灵敏的电子显微镜和复杂的软件，可以将捕获的图像转换成分辨率更高的分子结构。

英国剑桥MRC分子生物学实验室(LMB)的技术专家和结构生物学家Sjors Scheres说，这为冷冻电镜的快速发展铺平了道路。

LMB结构生物学家理查德·亨德森因其对低温电磁技术发展的贡献获得了2017年诺贝尔化学奖。他说，即使在技术进步之后，最初的增长也很缓慢，因为只有少数实验室配备了这种设备。但是当他们开始使用冷冻技术来绘制分子的详细结构图像时，例如被称为蛋白质制造机器的核糖体，这项技术很快引起了其他科学家、他们的组织和赞助者的注意。

亨德森说:“所有那些投资其他研究并做出错误决定的人花了一年时间才赶上。”

他预测到2024年，冷冻电子显微镜测定的蛋白质结构数量将超过X射线晶体衍射。冷冻电镜已经取代了X射线晶体衍射，成为科学家们特别感兴趣的研究细胞膜中蛋白质的工具。许多膜蛋白与疾病有关，并能为药物提供靶点。

此外，亨德森还认为低温电磁的发展将在某个时候开始放缓。他说，影响其快速增长的因素之一是高昂的成本，对于如此强大的显微镜来说，这可能超过500万英镑(700万美元)。它们每天也要花费数千英镑，并且需要专门的实验室来安装它们以减少振动。

亨德森正试图说服相关公司开发性能更好、价格更低的冷冻电磁，以进一步推广这项技术。