查看蛋白質(zhì)中原子的精確三維排列有助于我們了解其如何執(zhí)行其功能。盡管近年來電子冷凍顯微鏡(cryo-EM)作為一種重要的結(jié)構(gòu)生物學技術(shù)發(fā)展迅速，但X射線晶體學是唯一能夠可視化單個原子的技術(shù)。MRC分子生物學實驗室的Radu Aricescu和Sjors Scheres小組與Thermo Fisher Scientific和其他地方的科學家合作，現(xiàn)在已經(jīng)能夠首次在三維低溫EM圖像中解析單個蛋白質(zhì)原子。

這項合作始于2019年初，當時Radu和Thermo Fisher Scientific的研究人員Abhay Kotecha希望在小膜蛋白樣品上測試新型cryo-EM硬件。選擇GABAA受體是Radu十年來的研究重點，因為使用最先進的技術(shù)可以達到的最高分辨率似乎已達到約2.5Ångströms(Å)的極限，但是顯然，更好的藥物設計需要更高的分辨率。

什么是原子分辨率?

分辨率通常以Ångströms報告，長度單位是十億分之一米或0.1納米，是指兩個物體之間可以看到的最小距離。

典型的碳-碳鍵的長度為1.5Å;蛋白質(zhì)中的其他鍵短一些。因此，當分辨率降至1.2Å時，就有可能看到蛋白質(zhì)中的單個原子，從而達到真正的原子分辨率。

在測試包括冷場發(fā)射槍電子源，新能量過濾器和新相機的新硬件開發(fā)時，該團隊還必須開發(fā)新的處理策略。Sjors小組的Jasenko Zivanov先前開發(fā)的光學像差校正算法，以及Chris Russo和Richard Henderson提出的算法，在從圖像中獲取最多信息方面起著關鍵作用。

Sjors小組的博士后Takanori Nakane收到了荷蘭埃因霍溫的Thermo Fisher Scientific公司的Abhay Kotecha在新顯微鏡硬件上收集的圖像后，在Radion和Andrija Sente以及Radu小組的其他成員中開發(fā)了最佳工作流程，此工作流程可處理GABAA受體圖像，同時反饋結(jié)果以快速優(yōu)化顯微鏡設置。LMB科學計算團隊的Jake Grimmett和Toby Darling開發(fā)了一種新的大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了至關重要的支持來處理大約100 TB的數(shù)據(jù)。團隊的不懈努力導致了前所未有的1.7Å分辨率GABAA受體結(jié)構(gòu)。

這是使用cryo-EM對除蛋白質(zhì)載鐵蛋白以外的任何蛋白質(zhì)樣品實現(xiàn)的最佳分辨率。載鐵蛋白通常被用作冷凍EM的基準，因為它的分子穩(wěn)定性和24倍的對稱性允許從相對較少的顆粒進行高分辨率重建。

使用新的硬件和處理策略，該團隊能夠獲得1.22Å分辨率的脫鐵鐵蛋白結(jié)構(gòu)，超過了以前的1.53Å記錄，是迄今為止獲得的最高分辨率的單粒子冰凍EM結(jié)構(gòu)。最令人印象深刻的是，這種分辨率甚至可以使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分子上的單個氫原子可視化。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和藥物結(jié)合口袋中氫鍵網(wǎng)絡的可視化使研究人員可以更好地了解它們的工作原理。

這項工作代表了冷凍-EM作為結(jié)構(gòu)生物學技術(shù)的關鍵障礙的突破，而新技術(shù)，數(shù)據(jù)收集和加工策略將擴大其結(jié)構(gòu)可以解析為高分辨率的蛋白質(zhì)的數(shù)量。這些更高分辨率的重建將使人們更好地了解蛋白質(zhì)如何發(fā)揮作用，并有助于設計可能影響多種疾病治療的更具體的藥物。