冷凍電子顯微學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)
冷凍電子顯微學(xué)近年來(lái)在電子顯微鏡的硬件設(shè)備及結(jié)構(gòu)解析的軟件算法等方面取得了多個(gè)重要的技術(shù)突破, 正在成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的重要技術(shù)手段, 為越來(lái)越多的生物學(xué)研究者所重視. 冷凍電子顯微學(xué)的技術(shù)特點(diǎn)決定了它所具備的一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和發(fā)展方向, 同時(shí)作為一個(gè)正在迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域, 需要多學(xué)科的交叉促進(jìn).
近期來(lái)自清華大學(xué)生科院的王宏偉發(fā)文介紹了冷凍電子顯微學(xué)的研究現(xiàn)狀及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn), 并提出未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)不同尺度的研究在冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)上融合的新方法.
結(jié)構(gòu)生物學(xué)是 20 世紀(jì)后半葉, 尤其是在 80~90年代蓬勃發(fā)展起來(lái)的重要學(xué)科. 通過(guò)對(duì)生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸及其復(fù)合體)的三維空間結(jié)構(gòu)的測(cè)定, 結(jié)構(gòu)生物學(xué)可以在微觀尺度上精確地描述復(fù)雜生物大分子的形狀, 原子與分子組合方式, 及其表面帶電、親疏水等物理性質(zhì), 從而為生物大分子發(fā)揮生物學(xué)功能的機(jī)理提供關(guān)鍵的解釋. 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái), 結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的技術(shù)手段日益成熟, 在現(xiàn)代生物學(xué)研究的各個(gè)分支領(lǐng)域中均發(fā)揮著重要的作用. 至今為止, 國(guó)際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò) 100000, 其中絕大部分結(jié)構(gòu)由 X 射線晶體學(xué)及核磁共振波譜學(xué)解析而來(lái).
近年來(lái), 技術(shù)的進(jìn)步使得結(jié)構(gòu)生物學(xué)新的研究手段取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展. 2013 年 12 月份發(fā)表在Nature 上的利用冷凍電子顯微學(xué)解析獲得 TRPV1 原子分辨率結(jié)構(gòu)的兩篇文章, 在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域造成了巨大的反響. 美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的程亦凡研究組與 Julius 研究組合作, 利用冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)首次獲得了 300 kD膜蛋白 TRPV1的 3.4 ?分辨率的三維結(jié)構(gòu), 并建立了該分子的原子模型.
其實(shí)在過(guò)去的幾年間, 已經(jīng)有若干工作報(bào)道了利用冷凍電子顯微學(xué)解析病毒、蛋白酶體復(fù)合物、核糖體等近原子分辨率模型. 這些工作的里程碑式意義在于: 高分辨率結(jié)構(gòu)解析過(guò)程不需要生長(zhǎng)三維晶體, 樣品用量非常少, 而且可以在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)獲得多個(gè)復(fù)合體狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu). 短短一年里, 冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)作為直接解析生物大分子原子分辨率結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段受到人們的廣泛關(guān)注.
事實(shí)上, 電子顯微學(xué)是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的老兵. 該技術(shù)自從 20 世紀(jì) 50~60 年代以來(lái), 一直在研究細(xì)胞、 亞細(xì)胞及生物大分子結(jié)構(gòu)的研究中扮演著獨(dú)特的角色, 揭示了很多重要的細(xì)胞內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu). 在研究生物大分子的結(jié)構(gòu)方面， 該技術(shù)采取與 X 射線晶體學(xué)及核磁共振波譜學(xué)迥然不同的原理, 在過(guò)去的幾十年里逐漸建立了成熟的圖像處理及分析算法, 成為結(jié)構(gòu)研究的一種獨(dú)特技術(shù)手段. 近 10 年來(lái), 該領(lǐng)域的日臻成熟以及科研團(tuán)隊(duì)的擴(kuò)大更快地催生了冷凍電子顯微學(xué)成像技術(shù)與結(jié)構(gòu)解析技術(shù)的革命性突破. 自從 2008 年以來(lái), 冷凍電子顯微學(xué)已經(jīng)連續(xù)獲得多種生物大分子復(fù)合體的原子分辨率結(jié)構(gòu), 而且高分辨率結(jié)構(gòu)的解析速度正在呈現(xiàn)迅速上漲的趨勢(shì)。
冷凍電子顯微學(xué)從 20 世紀(jì)中葉開始, 經(jīng)歷了 80年代到 90 年代的技術(shù)方法建立時(shí)期, 21 世紀(jì)初的技術(shù)成熟期, 在過(guò)去的兩年里發(fā)生了革命性的技術(shù)進(jìn)步, 進(jìn)入了快速發(fā)展期. 結(jié)構(gòu)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究者如何抓住這個(gè)契機(jī), 如何盡快適應(yīng)新的局面, 掌握新的技術(shù), 充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)從而更加更深入地研究生命現(xiàn)象, 將是未來(lái)幾年里的一個(gè)主題. 數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究者們必將在未來(lái)冷凍電子顯微學(xué)的新技術(shù)新方法的開發(fā)中發(fā)揮重要的作用, 成為該技術(shù)的進(jìn)一步完善與成熟的重要力量.
冷凍電子顯微學(xué)領(lǐng)域研究者們則需要以主動(dòng)開放的態(tài)度吸引其他領(lǐng)域研究者的合作, 并積極迎接來(lái)自更多領(lǐng)域研究者的挑戰(zhàn), 保持并發(fā)展自己的技術(shù)特長(zhǎng), 站在技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)上選準(zhǔn)研究方向, 始終在冷凍電子顯微學(xué)的技術(shù)前沿上開疆拓土.