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人类首次看到了单个原子

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大科技杂志社 2021-11-25 10:33

今天,显微镜技术取得革命性突破——人类首次看到了单个原子,一个全新的“宇宙”即将来临。这都要归功于低温电子显微镜的出现。

什么是低温电子显微镜?它采用了一种“能够改变游戏规则”的分子成像技术,迄今为止它已经产生了史上最清晰的图像——原子分辨率图,并且首次识别出了蛋白质中的单个原子。

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通过低温电子显微镜,研究人员能够前所未有地看到蛋白质的细节。

通过低温电子显微镜,研究人员能够前所未有地看到蛋白质的细节,从而了解其工作原理,而由于蛋白质具有较强的灵活性,这些工作原理是依靠其他成像技术(如X射线晶体技术)无法轻易知道的。

这一突破性进展是在2020年5月分别由英国和德国的两个研究团队取得的。科学界普遍认为,未来绘制蛋白质三维结构的主要工具将是低温电子显微镜,这些结构最终将帮助研究人员了解蛋白质是如何决定人体是健康或患病的,并有助于生产出副作用更少的药物。

低温电子显微镜是一项已有数十年历史的技术,它通过电子束对冷冻的生物分子进行成像,从而得到分子的三维结构。

通过低温电子显微镜获得的蛋白质结构图

2013年,随着检测反射电子技术的进步和图像分析软件功能的增强,低温电子显微镜的分辨率得到显著提高,获得了比以往任何时候都更清晰的蛋白质结构——几乎与用X射线晶体技术获得的蛋白质结构一样。

X射线晶体技术是一种更古老的技术,通过利用电子对X射线的散射作用,它可以获得晶体中电子密度的分布情况,再从中分析获得原子的位置信息,即晶体结构。科学家们在很大程度上依靠X射线晶体技术来获得原子分辨率的结构图。然而,他们可能要花费数月至数年的时间才能使蛋白质结晶,而且许多医学上重要的蛋白质无法形成有用的晶体。相比之下,低温电子显微镜只需要蛋白质在纯化溶液中即可。

原子分辨率图的精确度可以达到约1.2埃(1.2×10的负10次方米),足以准确识别蛋白质中单个原子的位置。看清这些结构有助于了解酶的作用方式,这样一来,就能有效识别可阻断其活性的药物。

低温电子显微镜

为了提高低温电子显微镜的分辨率,这两个团队研究了一种名为载铁蛋白的铁储存蛋白。由于该蛋白质具有非常良好的稳定性,已成为低温电子显微镜的试验用品。然后,研究小组通过技术改进来更清晰地拍摄这种载铁蛋白。

随着低温电子显微镜技术的突破,以后在科学家们进行结构研究的时候,它将会是大多数结构研究的首选工具。特别是渴望了解原子结构的制药公司,可能更倾向于使用它。

当然,X射线晶体技术将保留一定的吸引力。如果一种蛋白质可以结晶,那么在短时间内,就能相对有效地生成与数千种潜在药物结合的结构图。而低温电子显微镜要生成足够的数据,仍需要花费数小时甚至数天的时间。

因此,每种技术都有优缺点,低温电子显微镜和X射线晶体技术将发挥各自的特长,在微观世界携手攻克难关。

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