儀器儀表商情網(wǎng)報(bào)道 X射線晶體衍射技術(shù)（X-RAY CRYSTALLOGRAPHY）即將成為歷史，低溫電子顯微技術(shù)（CRYO-ELECTRON MICROSCOPY）引起了揭示細(xì)胞內(nèi)隱秘機(jī)制的革命。
在劍橋大學(xué)一幢建筑的地下室里，一場(chǎng)技術(shù)革命正在醞釀。
一個(gè)笨重的、大約3米高的金屬盒子通過(guò)連接細(xì)胞的橙色纜線，安安靜靜地傳輸著以萬(wàn)億字節(jié)計(jì)算的數(shù)據(jù)。這是世界上最先進(jìn)的低溫電子顯微鏡之一：低溫電子顯微鏡通過(guò)電子束對(duì)冷凍的生物分子進(jìn)行成像，從而得到分子的三維結(jié)構(gòu)。站在這個(gè)耗資770萬(wàn)美金的儀器旁，英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（UK Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology， LMB）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家 Sjors Scheres表示，低溫電子顯微鏡非常敏感，一聲喊叫就會(huì)帶來(lái)極大誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗?！坝?guó)需要更多低溫電子顯微鏡，因?yàn)槲磥?lái)它會(huì)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的主流?！?/span>
低溫電子顯微鏡震驚了結(jié)構(gòu)生物學(xué)。過(guò)去30年里，低溫電子顯微鏡揭示了核糖體、膜蛋白和其它關(guān)鍵細(xì)胞蛋白的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)都發(fā)表在頂級(jí)雜志上。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們表示，毫不夸張地說(shuō)，低溫電子顯微技術(shù)正處于革命之中：低溫電子顯微鏡能夠快速生成高分辨率的分子模型，這一點(diǎn)遠(yuǎn)超X射線晶體衍射等方法。依靠舊方法獲得諾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)室也在努力學(xué)習(xí)這一技術(shù)。這種新模型能夠準(zhǔn)確地揭示細(xì)胞運(yùn)行的必要機(jī)制，以及如何靶向針對(duì)疾病相關(guān)的蛋白。
“低溫電子顯微鏡能夠解決很多以前無(wú)法解決的謎題。”舊金山加利福利亞大學(xué)（University of California）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家David Agard這樣說(shuō)道。
幾年前Scheres被招進(jìn)LMB，任務(wù)是幫助改進(jìn)低溫電子顯微鏡，最終他成功了。上個(gè)月，他們發(fā)表了這個(gè)領(lǐng)域最令人振奮的成就：阿茲海默癥相關(guān)的酶的高清圖片，圖片包括該酶的1200左右個(gè)氨基酸，分辨率達(dá)到零點(diǎn)幾納米。
生物學(xué)家們?nèi)缃袢栽谂Πl(fā)展該技術(shù)，以期用它解決小分子或可變形分子的精微結(jié)構(gòu)——這對(duì)低溫電子顯微鏡來(lái)說(shuō)，也是一大挑戰(zhàn)。來(lái)自加利福利亞大學(xué)（University of California）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Eva Nogales表示，叫它革命也好，飛躍也好，低溫電子顯微鏡的確打開(kāi)了一扇大門。
蛋白結(jié)晶
結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域有一條不成文的觀點(diǎn)：結(jié)構(gòu)決定功能。只有知道生物分子的原子排布，研究者們才能了解這個(gè)蛋白的功能。例如，核糖體是如何根據(jù)mRNA的序列來(lái)制造蛋白，分子孔道是如何開(kāi)和關(guān)的。幾十年來(lái)，分析蛋白結(jié)構(gòu)有一個(gè)無(wú)冕之王——X射線晶體衍射。在X射線晶體衍射中，科學(xué)家們讓蛋白結(jié)晶，接著利用X射線照射，隨后根據(jù)X射線的衍射來(lái)重建蛋白的結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行（Protein Data Bank）的100，000多條蛋白詞目里，超過(guò)90%的蛋白結(jié)構(gòu)是利用X射線晶體衍射技術(shù)解析得到的。很多諾貝爾獎(jiǎng)也與這一技術(shù)相關(guān)，例如1962年揭示DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)的諾獎(jiǎng)。
盡管X射線晶體衍射一直是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的最佳工具，但是它有較大的限制?？茖W(xué)家們可能需要幾年才能找到把蛋白形成大塊結(jié)晶的方法。而很多基礎(chǔ)蛋白分子，例如嵌在細(xì)胞膜上的蛋白，或是形成復(fù)合體的蛋白卻無(wú)法被結(jié)晶。
當(dāng)Richard Henderson 1973年到LMB，研究菌視紫紅質(zhì)（一種利用光把質(zhì)子運(yùn)進(jìn)膜內(nèi)的蛋白）結(jié)構(gòu)時(shí)，X射線晶體衍射是首選工具。Henderson和他的同事Nigel Unwin成功地做出了該蛋白的二維結(jié)晶，但卻不適用于X射線衍射。因此他們決定使用電子顯微鏡。
