哥廷根馬克斯·普朗克生物物理化學研究所的霍爾格·斯塔克和他的團隊打破了冷凍電子顯微鏡中一個至關重要的分辨率障礙。他的小組第一次成功地觀察了蛋白質結構中的單個原子，并使用此方法拍攝了有史以來最清晰的圖像。這種詳盡的見解使人們更容易理解蛋白質如何發(fā)揮作用或在活細胞中引起疾病??。該技術還可以在將來用于開發(fā)新藥。

世界各地的科學家一直在研究新型重要關鍵蛋白的3-D結構。他們的共同目標是找到可以有效對抗病原體的活性化合物的對接位點。

一種適用的方法是低溫電子顯微鏡(cryo-EM)，該方法可用于使生物分子的三維結構可見。由于它們在結構上高度靈活，因此這并非易事。為了捕獲模糊分子而不損壞它們，可以將它們冷卻得非?？?，或者可以說被冷凍了。然后用電子轟擊冷凍的樣品，并記錄所得圖像。使用這些，然后可以計算分子的三維結構。這項技術的三位先驅Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson因開發(fā)冷凍電磁技術而獲得了2017年諾貝爾化學獎。

分辨率的世界紀錄可以看到蛋白質中的單個原子

斯塔克的小組現(xiàn)在已經(jīng)通過該團隊新開發(fā)的獨特的低溫電子顯微鏡打破了低溫電磁分辨率的障礙。“我們?yōu)樵O備配備了兩個額外的電子光學元件，以進一步提高圖像質量和分辨率。這些確保光學透鏡的成像誤差(所謂的像差)不再起作用，” Max Planck主任解釋道。他的博士生Ka Man Yip補充說：“電子顯微鏡是光學儀器，在物理上類似于照相機。電子顯微鏡的像差會干擾低溫EM，其方式與攝影中的照相機相同。要改善圖像質量，因此，避免這些像差錯誤至關重要。”

使用這種新顯微鏡，科學家們已經(jīng)拍攝了超過一百萬張載鐵蛋白的圖像，以1.25埃的分辨率繪制了分子結構圖。一埃等于十分之一毫米的毫米。結構生物學家斯塔克解釋說：“我們現(xiàn)在可以看到蛋白質中的單個原子，這是我們領域的一個里程碑。” “對我們來說，這就像將超級玻璃杯放在顯微鏡上。新結構揭示了前所未有的細節(jié)：我們甚至可以看到氫原子的密度和單原子的化學修飾。”

英國劍橋大學醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室的同事也證明了冷凍EM用于高分辨率3-D蛋白結構成像的巨大潛力。他們使用不同的方法獲得了類似的高分辨率。研究人員說：“現(xiàn)在可以想象到，cryo-EM將來將能夠實現(xiàn)甚至亞原子的分辨率。”

基于結構的藥物設計的基礎

但是，能夠以如此空前的原子分辨率研究蛋白質結構的好處是什么?要了解人造機器的工作原理，必須在工作中直接觀察其組件。蛋白質(活細胞的納米機器)也是如此。為了了解它們?nèi)绾螆?zhí)行任務，必須知道蛋白質所有原子的確切位置。

這種詳細的見解也與基于結構的藥物設計有關。定制藥物化合物的方式是，它們與病毒蛋白結合，例如，阻斷其功能。但是抑制的潛在機制是什么?研究人員只有能夠在原子水平上觀察化合物與病毒蛋白的相互作用，才能闡明并理解這一點。這種新穎的見解有助于改善藥物分子并減少副作用。斯塔克說：“通過打破這種冷凍-EM分辨率障礙，該技術已達到可以直接看到藥物開發(fā)收益的水平。”