科学家打破分辨率记录使用单粒子冷冻EM

查看蛋白质中原子的精确三维排列有助于我们了解其如何执行其功能。尽管近年来电子冷冻显微镜(cryo-EM)作为一种重要的结构生物学技术发展迅速，但X射线晶体学是唯一能够可视化单个原子的技术。MRC分子生物学实验室的Radu Aricescu和Sjors Scheres小组与Thermo Fisher Scientific和其他地方的科学家合作，现在已经能够首次在三维低温EM图像中解析单个蛋白质原子。

这项合作始于2019年初，当时Radu和Thermo Fisher Scientific的研究人员Abhay Kotecha希望在小膜蛋白样品上测试新型cryo-EM硬件。选择GABAA受体是Radu十年来的研究重点，因为使用最先进的技术可以达到的最高分辨率似乎已达到约2.5Ångströms(Å)的极限，但是显然，更好的药物设计需要更高的分辨率。

什么是原子分辨率?

分辨率通常以Ångströms报告，长度单位是十亿分之一米或0.1纳米，是指两个物体之间可以看到的最小距离。

典型的碳-碳键的长度为1.5Å;蛋白质中的其他键短一些。因此，当分辨率降至1.2Å时，就有可能看到蛋白质中的单个原子，从而达到真正的原子分辨率。

在测试包括冷场发射枪电子源，新能量过滤器和新相机的新硬件开发时，该团队还必须开发新的处理策略。Sjors小组的Jasenko Zivanov先前开发的光学像差校正算法，以及Chris Russo和Richard Henderson提出的算法，在从图像中获取最多信息方面起着关键作用。

Sjors小组的博士后Takanori Nakane收到了荷兰埃因霍温的Thermo Fisher Scientific公司的Abhay Kotecha在新显微镜硬件上收集的图像后，在Radion和Andrija Sente以及Radu小组的其他成员中开发了最佳工作流程，此工作流程可处理GABAA受体图像，同时反馈结果以快速优化显微镜设置。LMB科学计算团队的Jake Grimmett和Toby Darling开发了一种新的大容量数据存储系统，该系统提供了至关重要的支持来处理大约100 TB的数据。团队的不懈努力导致了前所未有的1.7Å分辨率GABAA受体结构。

这是使用cryo-EM对除蛋白质载铁蛋白以外的任何蛋白质样品实现的最佳分辨率。载铁蛋白通常被用作冷冻EM的基准，因为它的分子稳定性和24倍的对称性允许从相对较少的颗粒进行高分辨率重建。

使用新的硬件和处理策略，该团队能够获得1.22Å分辨率的脱铁铁蛋白结构，超过了以前的1.53Å记录，是迄今为止获得的最高分辨率的单粒子冰冻EM结构。最令人印象深刻的是，这种分辨率甚至可以使蛋白质结构内部的水分子上的单个氢原子可视化。蛋白质结构内部和药物结合口袋中氢键网络的可视化使研究人员可以更好地了解它们的工作原理。

这项工作代表了冷冻-EM作为结构生物学技术的关键障碍的突破，而新技术，数据收集和加工策略将扩大其结构可以解析为高分辨率的蛋白质的数量。这些更高分辨率的重建将使人们更好地了解蛋白质如何发挥作用，并有助于设计可能影响多种疾病治疗的更具体的药物。