冷凍電子顯微學與結構生物學
冷凍電子顯微學近年來在電子顯微鏡的硬件設備及結構解析的軟件算法等方面取得了多個重要的技術突破, 正在成為結構生物學研究的重要技術手段, 為越來越多的生物學研究者所重視. 冷凍電子顯微學的技術特點決定了它所具備的一些獨特優勢和發展方向, 同時作為一個正在迅速發展的科學技術領域, 需要多學科的交叉促進.
近期來自清華大學生科院的王宏偉發文介紹了冷凍電子顯微學的研究現狀及面臨的技術挑戰, 并提出未來可能實現結構生物學與細胞生物學不同尺度的研究在冷凍電子顯微學技術上融合的新方法.
結構生物學是 20 世紀后半葉, 尤其是在 80~90年代蓬勃發展起來的重要學科. 通過對生物大分子(蛋白質、核酸及其復合體)的三維空間結構的測定, 結構生物學可以在微觀尺度上精確地描述復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, 從而為生物大分子發揮生物學功能的機理提供關鍵的解釋. 進入 21 世紀以來, 結構生物學研究的技術手段日益成熟, 在現代生物學研究的各個分支領域中均發揮著重要的作用. 至今為止, 國際蛋白質結構數據庫中的結構數據已經超過 100000, 其中絕大部分結構由 X 射線晶體學及核磁共振波譜學解析而來.
近年來, 技術的進步使得結構生物學新的研究手段取得了長足的進展. 2013 年 12 月份發表在Nature 上的利用冷凍電子顯微學解析獲得 TRPV1 原子分辨率結構的兩篇文章, 在結構生物學領域造成了巨大的反響. 美國加州大學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技術首次獲得了 300 kD膜蛋白 TRPV1的 3.4 ?分辨率的三維結構, 并建立了該分子的原子模型.
其實在過去的幾年間, 已經有若干工作報道了利用冷凍電子顯微學解析病毒、蛋白酶體復合物、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: 高分辨率結構解析過程不需要生長三維晶體, 樣品用量非常少, 而且可以在短時間內同時獲得多個復合體狀態的三維結構. 短短一年里, 冷凍電子顯微學技術作為直接解析生物大分子原子分辨率結構的技術手段受到人們的廣泛關注.
事實上, 電子顯微學是結構生物學研究中的老兵. 該技術自從 20 世紀 50~60 年代以來, 一直在研究細胞、 亞細胞及生物大分子結構的研究中扮演著獨特的角色, 揭示了很多重要的細胞內精細結構. 在研究生物大分子的結構方面， 該技術采取與 X 射線晶體學及核磁共振波譜學迥然不同的原理, 在過去的幾十年里逐漸建立了成熟的圖像處理及分析算法, 成為結構研究的一種獨特技術手段. 近 10 年來, 該領域的日臻成熟以及科研團隊的擴大更快地催生了冷凍電子顯微學成像技術與結構解析技術的革命性突破. 自從 2008 年以來, 冷凍電子顯微學已經連續獲得多種生物大分子復合體的原子分辨率結構, 而且高分辨率結構的解析速度正在呈現迅速上漲的趨勢。
冷凍電子顯微學從 20 世紀中葉開始, 經歷了 80年代到 90 年代的技術方法建立時期, 21 世紀初的技術成熟期, 在過去的兩年里發生了革命性的技術進步, 進入了快速發展期. 結構生物學和細胞生物學研究者如何抓住這個契機, 如何盡快適應新的局面, 掌握新的技術, 充分發揮該技術的優勢從而更加更深入地研究生命現象, 將是未來幾年里的一個主題. 數學、物理學、計算機科學、材料科學、化學等眾多領域的研究者們必將在未來冷凍電子顯微學的新技術新方法的開發中發揮重要的作用, 成為該技術的進一步完善與成熟的重要力量.
冷凍電子顯微學領域研究者們則需要以主動開放的態度吸引其他領域研究者的合作, 并積極迎接來自更多領域研究者的挑戰, 保持并發展自己的技術特長, 站在技術發展的制高點上選準研究方向, 始終在冷凍電子顯微學的技術前沿上開疆拓土.