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冷冻电镜技术为何能获得2017年诺贝尔化学奖及其发展趋势

来源:本站原创 2017-10-07 20:28

2017年10月4日/生物谷BIOON/---在人们的一片猜测中,2017年诺贝尔化学奖终于揭晓了!当地时间2017年10月4日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔化学奖授予给瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学的Joachim Frank和英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的Richard Henderson,获奖理由是“开发出冷冻电子显微镜技术(cryo-electron microscopy, 也称作electron cryomicroscopy, cryo-EM, 也称为低温电子显微镜技术)用于确定溶液中的生物分子的高分辨率结构。” 这三人将均分900万瑞典克朗奖金。
Jacques Dubochet


Joachim Frank


Richard Henderson

结构生物学领域有一条不成文的观点:结构决定功能。只有知道生物分子的原子排布,科学家们才能了解这个蛋白的功能。几十年来,分析蛋白结构有一个无冕之王——X射线晶体衍射。在X射线晶体衍射中,科学家们让蛋白结晶,然后利用X射线照射,随后根据X射线的衍射来重建蛋白的结构。在蛋白质数据银行(Protein Data Bank)的100000多条蛋白词目里,超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术解析得到的。

尽管X射线晶体衍射一直是结构生物学家的最佳工具,但是它存在较大的限制。科学家们将蛋白进行大块结晶通常需要多年的时间。而很多基础蛋白分子,例如嵌在细胞膜上的蛋白,或是形成复合体的蛋白却无法被结晶。

X射线晶体衍射技术(X-ray crystallography)即将成为历史,冷冻电子显微技术引发结构生物学乃至生物化学变革。

冷冻电子显微镜技术引发生物化学变革

我们可能很快就会获得复杂生命系统的详细原子分辨率图片。2017年诺贝尔化学奖被授予被Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson,以表彰他们开发出冷冻电子显微镜技术。这种技术简化和改进了对生物分子的成像。它将生物化学带入一个新的时代。

图片是理解的关键。科学突破经常建立在成功地将人眼不能看见的物体可视化的基础之上。然而,在生物化学领域,这方面在过去很长的时间里是一片空白,这是因为现有技术很难产生大多数生物分子复合体的图片。冷冻电子显微技术改变了这一切。如今,研究人员能够对移动中的生物分子进行冻存,并且对他们之前不能看见的过程进行可视化观察,这对生命的化学性质的基本理解和开发药物产生决定性的影响。

长期以来,人们认为电子显微镜仅适合对无生命的物质进行成像,这是因为它产生的大功率的电子束会破坏生物材料。但是在1990年,Richard Henderson成功地利用电子显微镜在原子分辨率下产生一种蛋白的三维结构图片。这一突破证明了这种技术的潜力。

Joachim Frank让这种技术得到广泛应用。在1975年到1986年期间,他开发出一种图片处理方法来分析电子显微镜产生的模糊的二维图片,并且将这些模糊的二维图片进行合并而产生清晰的三维结构图。

Jacques Dubochet将水加入电子显微镜中。液态水在电子显微镜的真空环境中蒸发,从而使得生物分子分解。在上世纪80年代早期,Dubochet成功地实现水玻璃化(vitrifying water):快速地让水冷却以至于它在液态状态时在生物样本周围凝固,从而允许生物分子在真空环境下保持它们的自然形状。

在这些发现之后,电子显微镜的每个方面都得到优化。2013年,电子显微镜实现理想的原子分辨率。如今,研究人员能够程式化地获得生物分子的三维结构。在过去的数年里,科学文献到处可以看到各种物质的高清晰图片,从导致抗生素耐药性的蛋白,到寨卡病毒的外壳表面。如今,生物化学正面临着爆炸性的发展,做好迎接激动人心的未来的准备。

冷冻电子显微镜技术发展趋势

冷冻电子显微镜技术适用于研究大的、稳定的分子,这些分子能够承受电子的轰击,而不发生变形——由多个蛋白组成的分子机器是最好的样本。因此由RNA紧紧围绕的核糖体是最佳的样本。三位化学家用X射线晶体衍射研究核糖体溶液的工作在2009年获得了诺贝尔化学奖,但这些工作花了几十年。近几年,冷冻电镜研究者们也陷入了“核糖体热”。多个团队研究了多种生物的核糖体,包括人类核糖体的首个高清模型。X射线晶体衍射的研究成果远远落后于英国剑桥大学医学研究理事会(MRC)分子生物学实验室(LMB)的Venki Ramakrishnan实验室,Venki获得了2009年的诺贝尔化学奖。Venki表示,对于大分子来说,冷冻电子显微镜远比X射线晶体衍射要实用。

这几年,冷冻电子显微镜技术的相关文章有很多:2015年一年,这个技术就用于100多个分子的结构研究。X-射线晶体衍射只能对单个、静态的蛋白晶体成像,但冷冻电子显微镜技术能够对蛋白的多种构象进行成像,帮助科学家们推断蛋白的功能。

现在冷冻电子显微镜技术迅猛发展,专家们正在寻找更大的挑战作为下一个解析目标。对很多人来说,最想解析的是夹在细胞膜内的蛋白。这些蛋白是细胞信号通路中的关键分子,也是比较热门的药物靶标。这些蛋白很难结晶,而冷冻电子显微镜技术不大可能对单个蛋白进行成像,这是因为很难从背景噪音中提取这些信号。

这些困难都无法阻挡加利福利亚大学(University of California)的生物物理学家程亦凡。他计划解析一种细小的膜蛋白TRPV1的结构。TRPV1是检测辣椒中引起灼烧感的物质的受体,并与其它的痛感蛋白紧密相关。加利福利亚大学病理学家David Julius等人之前尝试结晶TRPV1,结果失败。用冷冻电子显微镜技术解析TRPV1的结构,一开始进展缓慢。但2013年底,技术进步使得这一项目有了重大突破,他们获得了分辨率为0.34纳米的TRPV1蛋白的结构。该成果的发表对于领域来说,无异于惊雷。因为这证实了冷冻电子显微镜技术能够解析重要的小分子。

尽管冷冻电子显微镜技术发展迅速,很多研究人员认为,它仍有巨大提升空间。他们希望能制造出更灵敏的电子探测器,以及更好地制备蛋白样本的方法。这样的话,就能够对更小的、更动态的分子进行成像,并且分辨率更高。2016年5月,有研究人员发表了一篇细菌蛋白的结构,分辨率达到了0.22纳米。这也显示了冷冻电子显微镜技术的潜力。

2017年1月,来自埃默里大学医学院等研究机构的研究人员开发出了一种新型的低温相关的光镜和电镜工作流(cryo-CLEM)。他们首先在脆性碳覆盖的黄金网格中对病毒感染或转染的细胞进行培养,随后进行玻璃化操作,即对细胞快速冷却以免冰晶形成,一旦细胞被冷却研究人员就能够利用低温荧光显微镜和低温电子断层扫描术对细胞进行研究,低温(负150度以下)对于这两种技术而言非常必要,而且样品玻璃化后进行光学显微镜检查还能够抑制细胞继续生长以及位置发生改变。他们指出,利用低温电子断层扫描术获得的数据还能够帮助我们在高分辨率下获取单一完整病毒和病毒蛋白的图像,这项研究中研究者对呼吸道合胞体病毒进行了研究,他们发现,候选减毒活疫苗在结构上同呼吸道合胞体病毒结构非常相似。这种名为cryo-CLEM的新技术能够对扁平生长的细胞进行研究,因为标准的光束并不能够穿透厚度大于1微米的细胞,而哺乳动物的细胞通常有几微米宽,而诸如HIV等病毒大约为0.1微米。

2017年3月,瑞士苏黎世大学生物化学系细胞生物学教授Ohad Medalia及其团队利用低温电子断层扫描术首次成功地在分子分辨率上阐明细胞核的核纤层(lamina)结构。这种技术将电子显微术和断层扫描术结合在一起,能够在准自然状态下可视化三维观察细胞结构。

1997年时,英国医学研究委员会分子生物学实验室结构生物学家Richard Henderson非常坚定地宣称,冷冻电子显微镜技术会成为解析蛋白结构的主流工具。在将近20年后的今天,他的预测比当年有了更多底气。Henderson表示,如果冷冻电子显微镜技术保持这样的势头继续发展,技术问题也得以解决,那么冷冻电子显微镜技术不仅会成为解析蛋白结构的第一选择,而是主流选择。这个目标已经离我们不远了。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:
1.Press Release: The Nobel Prize in Chemistry 2017

2.Nature、Science和Cell三大期刊低温电镜解析蛋白结构重大研究

3.Nat Protocols:利用低温光学和电子显微镜联合技术观察并研究活体病毒

4.Nature:重磅!首次解析出细胞核骨架的三维分子结构

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