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 生物物理学

生物物理学

低温电子显微镜的升高和升高

06 Jul 2018
 Joachim Frank. .
Joachim Frank. . presents his lecture at the 68th Lindau Nobel Laureate Meeting in Lindau, Germany. (礼貌:Julia Nimke / Lindau诺贝尔奖奖励)

组合物理学,生物学和化学,结构生物学研究了生物大分子的解剖学,特别是蛋白质,改善了对疾病的理解和使药物发现能够。说到这一点 第68届林豪诺贝尔劳特雷会议 在德国上周,生物物理学家 Joachim Frank. . 表示,由于低温电子显微镜(Cryo-EM)的进展,该领域正在进入一个新的时代,光明的未来。

弗兰克是一家位于纽约哥伦比亚大学的化学化学的德国美诺贝尔奖,追溯了Lindau讲座的当天Cryo-em的历史。一项技术先驱,弗兰克共享2017年奖与法利生物学家Richard Henderson和Jacques Dubochet,他对其进步的重要贡献。

Cryo-EM快速冻结溶液中的分子样本,用电子束图像进行图像,以露出分子结构。如今,3-4Å的决议经常可实现,而在其上限下,该技术可以实现2Å的原子分辨率。

该技术的特殊强度是它能够构建单个未附加的分子模型,其自然状态的分子图像–包含各种分子的一系列布置和结合状态。

相比之下,X射线晶体学需要分子作为晶体,X射线晶体术的主干,其形式不可通过生物分子进行。然而,晶体学可以利用定期有序的分子来获得可以重建其结构的衍射图案。

在20世纪70年代初,研究人员将个体分子的电子断层扫描作为溶液。然而,在主要缺点中,不可能的完整分子图像,因为所需剂量造成对样品的显着损伤。

在他的博士期间,弗兰克有一个新的想法。它是使用计算和数学技术在样品中的数百种分子的2D图像中呈现2D图像。通过对齐和平均它们,可以构建分子的单个,更清晰的3D图像。核糖体,一种在细胞胞质细胞中发现的分子机,其使蛋白质产生蛋白质,是在开发技术方面成为他的测试对象。

用于分子重建的工作台

在20世纪80年代的转折期间处理和重建Cryo-EM图像,Frank开发的蜘蛛,模块化图像处理程序和电子显微镜中的第一类。工作台的计算等同物,它包括数百个操作。

在Frank的实验室中开发的关键技术包括一种相关平均技术,用于识别和平均面对特定方向的核糖体进入单个结构。在另一种情况下,应用多变量统计分析来解决样品中的分子群中发生的结构异质性,将类似的结构分类和分组相似的结构。将所有技术携带在一起,弗兰克和Doc Michael Rictermher完成了他们的第一个分子重建,1986年完成了核糖体的大亚基。

在海德堡欧洲分子生物学实验室的同一时间,杜布奇及其同事提出了重要的进展。首次,使用液体乙烷冷却至-196℃,将Dubochet vitrized样品溶液加入玻璃状流体中。该技术可防止形成冰晶,否则损坏分子并衍射电子束,导致图像不可用的图像。

“这现在给了这种方法,我开发了一个非常大的提升,因为现在我们可以在原住民中看待分子,”弗兰克说。利用这一点,弗兰克和合作者继续在20世纪90年代中期首次重建几种结构。它们包括钙释放通道,八达通血糖蛋白和 大肠杆菌 核糖体。 “这些都是当时都是开创性的贡献。”

揭示核糖体运动

2000年的另一个地标发现遵循。弗兰克和Doc rajendra Agrawal利用了解决方案进一步改进,以揭示的结构 大肠杆菌 核糖体以前所未有的细节。它们的分析在翻译期间揭示了核糖体的两个亚基相对于彼此相对于彼此的棘轮运动,该过程合成蛋白质。该运动证明对核糖体的功能至关重要。

然而,尽管突破,但弗兰克仍然认为,作为实验室研究的限制因素。在2013年,他们在两年后经过260,000个核糖体图像达到了最佳成像 葡萄干瘤Brucei, 寄生虫导致非洲睡眠疾病。 “我们陷入了5.5埃的决议。它基本上是一个墙壁。“在此分辨率下,无法使用高精度推断结构。例如,分子上的侧链需要大约3埃的分辨率。

相机将Cryo-EM带到下一个水平

然而,2012年第一家商业单电子检测摄像机的到来具有决定性的影响。它们的侦探量子效率(DQE)明显高于薄膜。弗兰克的实验室在2016年使用它们来解决核糖体的结构 锥虫瘤Cruzi. ,负责Chagas病的寄生虫,分辨率为2.5Å。他的技术,借助相机甚至允许分离单一的水分子。 “当我第一次看到它时,我无法相信它,”弗兰克说。

Trypanosoma cruzi ribosome large subunit

结合最大似然统计方法,Cryo-EM成像技术现在能够在近原子分辨率下测定给定样品中的多个共存结构。这通常会导致不同状态的分子的快照。被称为A.“story in a sample”通过弗兰克,信息意味着蜂窝函数可以间接可视化。通过这些能力,他预测知识的繁荣。 “对分子医学相关的[结构]数据库的巨大扩张。”

Joachim Frank. .’S全面讲座,生物分子的单粒子Cryo-EM - 天空是极限,可以在下面看。 (礼貌:Lindau诺贝尔劳特队会议)

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