冷冻电镜技术突破原子分辨率障碍

作者：文乐乐

冷冻电镜揭示了去铁铁蛋白的原子细节。图片来源：PAUL EMSLEY

如果想绘制出蛋白质最微小的部分，科学家通常选择不多：使数百万个单个蛋白质分子排列成晶体，然后用X射线晶体学分析它们；或者快速冷冻蛋白质的副本，然后用电子轰击它们，这是一种低分辨率的方法，叫做冷冻电镜技术。

据《科学》报道，现在，科学家们第一次将冷冻电镜的分辨率提高到原子水平，以精确定位各种蛋白质中单个原子的位置，其分辨率可与X射线晶体学相媲美。

“看到这种程度的细节太不可思议了，它十分美丽。”美国密歇根大学安娜堡分校冷冻电镜技术专家Melanie Ohi说。更佳的分辨率准确揭示了复杂的细胞机器是如何工作的，这意味着冷冻电镜的改进可能会给生物学带来无数新见解。

为了绘制蛋白质结构图，科学家从20世纪50年代末就开始使用X射线晶体学。借助X射线轰击结晶化的蛋白质，并分析X射线的反弹方式，科学家可以计算出蛋白质可能的构成和形状。几十年来，X射线束、探测器和计算机能力的改进使这种方法变得快速而准确。

但是，当蛋白质特别大、在核糖体等复杂的环境中工作或者不能结晶时，这种方法就不能很好地发挥作用。

研究人员使用冷冻电镜对不需要结晶的冷冻蛋白质副本发射电子，探测器记录电子的偏移，精密的软件将图像“缝合”在一起，也可计算出蛋白质的组成和形状。

此前，日本的研究人员已经表明，他们可以将一种叫作去铁铁蛋白的肠道蛋白质的分辨率缩小至1.54埃——这还没有达到可以区分单个原子的程度。

现在，在电子束技术、探测器和软件进一步的帮助下，来自英国和德国的两组研究人员已经将分辨率缩小到1.25埃或更小。10月21日， 他们在《自然》上报告说，这已经足以计算出单个原子的位置。

增强的分辨率或使更多的结构生物学家选择使用冷冻电镜技术。目前，这项技术只适用于异常坚硬的蛋白质。下一步，研究人员将努力在刚性较小、较大的蛋白质复合物（如剪接体）中达到类似清晰程度的分辨率。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2829-0