冷冻电子显微镜的世界纪录分辨率

哥廷根马克斯·普朗克生物物理化学研究所的霍尔格·斯塔克和他的团队打破了冷冻电子显微镜中一个至关重要的分辨率障碍。他的小组第一次成功地观察了蛋白质结构中的单个原子，并使用此方法拍摄了有史以来最清晰的图像。这种详尽的见解使人们更容易理解蛋白质如何发挥作用或在活细胞中引起疾病​​。该技术还可以在将来用于开发新药。

世界各地的科学家一直在研究新型重要关键蛋白的3-D结构。他们的共同目标是找到可以有效对抗病原体的活性化合物的对接位点。

一种适用的方法是低温电子显微镜(cryo-EM)，该方法可用于使生物分子的三维结构可见。由于它们在结构上高度灵活，因此这并非易事。为了捕获模糊分子而不损坏它们，可以将它们冷却得非常快，或者可以说被冷冻了。然后用电子轰击冷冻的样品，并记录所得图像。使用这些，然后可以计算分子的三维结构。这项技术的三位先驱Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson因开发冷冻电磁技术而获得了2017年诺贝尔化学奖。

分辨率的世界纪录可以看到蛋白质中的单个原子

斯塔克的小组现在已经通过该团队新开发的独特的低温电子显微镜打破了低温电磁分辨率的障碍。“我们为设备配备了两个额外的电子光学元件，以进一步提高图像质量和分辨率。这些确保光学透镜的成像误差(所谓的像差)不再起作用，” Max Planck主任解释道。他的博士生Ka Man Yip补充说：“电子显微镜是光学仪器，在物理上类似于照相机。电子显微镜的像差会干扰低温EM，其方式与摄影中的照相机相同。要改善图像质量，因此，避免这些像差错误至关重要。”

使用这种新显微镜，科学家们已经拍摄了超过一百万张载铁蛋白的图像，以1.25埃的分辨率绘制了分子结构图。一埃等于十分之一毫米的毫米。结构生物学家斯塔克解释说：“我们现在可以看到蛋白质中的单个原子，这是我们领域的一个里程碑。” “对我们来说，这就像将超级玻璃杯放在显微镜上。新结构揭示了前所未有的细节：我们甚至可以看到氢原子的密度和单原子的化学修饰。”

英国剑桥大学医学研究理事会分子生物学实验室的同事也证明了冷冻EM用于高分辨率3-D蛋白结构成像的巨大潜力。他们使用不同的方法获得了类似的高分辨率。研究人员说：“现在可以想象到，cryo-EM将来将能够实现甚至亚原子的分辨率。”

基于结构的药物设计的基础

但是，能够以如此空前的原子分辨率研究蛋白质结构的好处是什么?要了解人造机器的工作原理，必须在工作中直接观察其组件。蛋白质(活细胞的纳米机器)也是如此。为了了解它们如何执行任务，必须知道蛋白质所有原子的确切位置。

这种详细的见解也与基于结构的药物设计有关。定制药物化合物的方式是，它们与病毒蛋白结合，例如，阻断其功能。但是抑制的潜在机制是什么?研究人员只有能够在原子水平上观察化合物与病毒蛋白的相互作用，才能阐明并理解这一点。这种新颖的见解有助于改善药物分子并减少副作用。斯塔克说：“通过打破这种冷冻-EM分辨率障碍，该技术已达到可以直接看到药物开发收益的水平。”