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单分子成像:结构生物学的未来

结构到功能的研究对生物学领域有着重要的意义。自从解析出DNA的三维结构后,结构生物学帮助科学家们解析出了更多的生物大分子的结构,解决了很多生物学的根基上的问题。然而,结构生物学的发展受到了技术层面上的重大瓶颈。新技术的出现,将对结构生物学的发展带了跨越式的进展。

 

传统的结构解析方法是X光衍射和核磁共振成像(NMR)。X光衍射(X-ray),通过高能的X光轰击生物大分子的晶体,可以获得电子密度的信号,从而可以构建出大分子的三维坐标,可以解析相对较大的分子构象。但是,X-ray成像的方法有着的缺陷,是X光衍射需要获得大分子的晶体,这相当之难,同时晶体状态下的大分子构象可能并不是生物活性状态,而且该方法没办法解决更大型的分子。而NMR成像利用氢原子核在强磁场下的共振获得信号,可以在溶液状态下解析出分子的三维结构。但是NMR受限于强磁场的强度,只能解析较小的生物大分子,也限制了结构生物学的发展。

 

因为结构生物学希望能够获得更大型、多聚体、复合物的生物活性状态下的结构,X-rayNMR都存在着天然的缺陷。然而,早已出现的电子显微镜(EM)却在近些年来广泛用于结构生物学领域,让古老的技术放出了新的活力。更敏感的电子检测探头的出现,更高效准确的计算重构方法,让该技术更有潜力。该方法不需要大分子形成晶体,结合其他的样本准备方式,冷冻蚀刻电镜已经成为了单分子成像领域的热门,可以用来解析超过50千道尔顿到数千千道尔顿的选技术。但是,该方式也存在着一个问题就是,该方法解析出的结构是分子的平均构象,让得到的机构更加模糊。该问题对于X-rayNMR也同样存在。

 

然而 Longchamp等人开发出了一种新的结构解析方法,基于单分子的成像,可以解析出单个分子的结构信息,而不平均的构象。该方法需要特殊的样本准备方法。需要利用离子束将样本在超真空环境下的超清洁的石墨烯平面上软着陆。因为石墨烯的稳健的强度,对电子束超好的透明性,使其成为了生物成像领域的新宠儿,还被用于了的冷冻蚀刻电镜成像。与电镜成像不同,该新方法使用传统的相对较弱的电子束,来产生成像信号,避免高强度电子束对于样本的损坏。同时,基于CCD的电子检测器可以高效收集电子的散射信号。超清洁的石墨烯基质至关重要,因为全息成像需要地减去背景的电子信号噪音。CCD获得电子信号后通过数学方法可以重构出单分子的结构图。

 

Longchamp等人发明的单分子全息电子散射成像的方法有着很多好处,是需要的电子束要求不高,所以不会很贵,而且不需要形成晶体来成像。同时,低能量电子也不会对样品造成太大的破环。而可以重构单分子的三维结构,而不是平均结构,这样可以抓住蛋白质等大分子的多种状体下的三维结构,这对于结构生物学和生物物理学意义非凡。当然,该方法目前只能获得低精度的结构,更加严格的数学方法将帮助该方法,来获得更好的结构。

 

尽管现在冷冻蚀刻电镜(Cryo-EM)正如日中天,单分子全息成像的技术却更能代表结构生物学的未来。或许结构生物学的大发展就在不远的未来。

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