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便宜显微镜实现结构生物学目的的策略 精选

已有 4401 次阅读 2023-11-29 11:19 |系统分类:海外观察

蛋白质结构解析的经典方法是X射线衍射技术,但这种技术需要对蛋白质进行结晶。无法结晶的蛋白质可以使用低温电子显微镜技术,而这种技术逐渐成为这个领域的标准方法。但是低温电子显微镜技术比较大的问题是设备过于昂贵,而这种技术也需要高质量的样本处理。如何解决这些问题,有人提出了一种新策略,就是用相对便宜的低温电子显微镜先对样品进行预研究,然后使用更高级的显微镜。这可能会成为这个领域的重要模式。

这一策略和最近一项MRI技术类似。由于高场MRI的功能很强,但使用成本也比较高,虽然中国这方面的产业技术突破可以部分解决设备成本的问题,但仍然无法满足一些经济欠发达国家的需要。有人结合计算机模拟方法,把低磁场MRI变成可以满足临床诊断需要的要求。

Cheaper microscope could bring protein mapping technique to the masses | Science | AAAS

任何结构生物学家都会告诉你一种很酷的新方法低温电子显微镜技术正在接管他们的领域。通过快速冷冻蛋白质并用电子轰击它们,低温电子显微镜(cryo-EM)可以以接近原子分辨率的方式绘制蛋白质形状,为它们的功能提供线索,并揭示药物开发者可以针对的凹凸不平之处。这种技术可以捕捉到多种构象的扭动蛋白质,甚至可以捕获那些传统X射线分析无法触及的蛋白质,因为它们顽固地抵抗结晶。许多研究人员预计,明年低温电子显微镜将解决的新蛋白质结构数量将超过X射线晶体学。

然而,尽管低温电子显微镜具有诸多优点,但它也存在缺陷:冷冻过程非常繁琐,显微镜也很贵。高端机器的购买成本可能超过500万美元,安装成本也差不多,每年的运行和维护费用则高达数十万美元。许多美国州和国家甚至没有一台低温电子显微镜。“这就是现在的贫富差距,”俄克拉荷马大学的一名结构生物学家拉基·拉詹说,该校目前还没有这样的设备。

英国医学研究委员会分子生物学实验室(LMB)的研究人员一直在努力使该领域民主化。今天,在英国《自然》杂志上发表的一篇文章中,这支英国团队描述了他们如何组装出一台原型低温电子显微镜,并解决了其第一个结构问题。这台机器——LMB物理学家克里斯·罗素称之为“便宜的小掀背车”,而不是“法拉利”——在性能上可以与高端机器相媲美,但成本仅为后者的十分之一。

Russo希望制造商将他团队的设计商业化,他认为可以以50万美元的价格建造和出售。陈·扎克伯格成像研究所(Chan Zuckerberg Imaging Institute)的创始技术总监布里奇特·卡拉格(Bridget Carragher)说,这是新员工的启动计划,或者美国国立卫生研究院(NIH)或美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供的常规设备赠款之一。这将是一台了不起的机器,她说。每个想做结构生物学的人都可以做到。

人工智能(AI)的最新进展似乎提供了一种更便宜的结构生物学方法。人工智能算法可以从简单的氨基酸序列中准确预测蛋白质的结构。但是,Russo说,由于AI是在已知结构上训练的,因此它们的预测有时会因不寻常的蛋白质构型而动摇,而且它们仍然不能替代冷冻电镜。

为了增加现有高端冷冻电镜显微镜的使用,美国国立卫生研究院(NIH)创建了三个国家中心,研究人员可以在那里发送样本进行分析。但是轮辐式系统也存在问题。Rajan经常花几个月的时间等待国家中心的结果,却发现她的样本是哑弹。尽管她在冷冻蛋白质方面做得越来越好,但 Rajan 估计只有不到 10% 的样本产生了良好的数据。

这就是为什么即使研究人员买不起顶级冷冻电镜显微镜,许多人也希望有一台筛选机,在将样本送往国家中心以获得更高分辨率的图像之前,至少可以检查样本的质量。这是Russo和他的同事的主要动机,其中包括LMB的诺贝尔奖获得者Richard Henderson,他是冷冻电镜的先驱。该团队的一个关键见解是,电子束不需要高端冷冻电镜显微镜中通常使用的能量。100千电子伏特(KeV)的水平(三分之一高)足以揭示分子结构,并且它们通过消除对受管制气体六氟化硫的需要来扼杀火花来降低成本。该团队还看到了聚焦电子的透镜系统和在探测样品后捕获电子的探测器的改进空间。

 分子生物学实验室研究员Katerina Naydenova坐在实验室的电子显微镜前。

分子生物学实验室的研究人员认为,他们的电子显微镜可以以50万美元的价格制造和出售。

 

通过由此产生的原型,LMB小组确定了11种不同蛋白质的结构。一种是储铁蛋白脱铁蛋白,它已成为冷冻电镜分辨率记录的基准LMB的研究人员将其绘制为氢原子直径的2.6-2.6倍。Russo说,这还不如创纪录的1.2埃冷冻电镜分辨率高,但足以制作原子模型。而且这个过程很快。由于显微镜与冷冻台位于同一实验室,因此该团队可以快速检查其样品是否足够好,而无需等待数周才能从高端机器获得结果。每个结构都在不到一天的时间内完成,”Russo 说。

生产高端机器的赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)表示,它已经在扩大冷冻电镜市场。2020 年,它开始销售一种名为 Tundra 的低成本选项,其运行速度为 100 KeV我想说的是,有些大学可能从来不相信他们可以拥有冷冻电镜,但现在拥有这些工具,负责该公司冷冻电镜业务的副总裁Trisha Rice说。事实上,Rajan的大学刚刚以150万美元的价格订购了一个。

Russo说,Tundra是朝着正确方向迈出的一步,但他的团队的创新可以使冷冻电镜更便宜。例如,他说,Tundra在高端显微镜中使用的昂贵电子源的简化版本上回拨能量,而LMB原型上的电子枪是从头开始为100 KeV设计的。但他明白,将他团队的设计商业化需要潜在制造商的大量投资。我们正在与他们所有人交谈,”Russo说。但归根结底,这取决于他们。




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