2015值得关注的技术:微小晶体的结构

【字体: 时间:2015年01月06日 来源:生物通

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  许多蛋白质,尤其是膜蛋白,无法形成大的晶体,往往形成纳米或微米大小的晶体。在几年前,这种微小的晶体基本上被认为是没用的,因为在衍射数据记录之前它们就会受损。不过,新的技术如今也能从这些晶体上获得高质量的数据。

2014年末,《Nature Methods》杂志将年度技术授予了激光层照荧光显微技术(Light-sheet fluorescence microscopy)。同时,杂志也介绍了2015年值得关注的技术,包括非编码RNA、新一代CRISPR、DIA质谱以及微小晶体的结构等。

大家都知道,通过X射线衍射确定原子结构时,首先你得有大的、结构良好的蛋白质晶体。这说来容易做来难。许多蛋白质,尤其是膜蛋白,无法形成大的晶体,往往形成纳米或微米大小的晶体。在几年前,这种微小的晶体基本上被认为是没用的,因为在衍射数据记录之前它们就会受损。不过,新的技术如今也能从这些晶体上获得高质量的数据。

一种方法是飞秒X射线晶体学(femtosecond X-ray crystallography),其中微小的晶体涌入飞秒脉冲的路径,这些脉冲来自极其明亮的X射线自由电子激光装置(XFEL)。X射线的脉冲非常快,因此在晶体被破坏之前就能收集衍射图像。自2011年引入这项技术之后,它经过快速发展,并不断扩大应用范围。

2014年,这项技术带来了新的结构和见解,并不断改进将微小晶体引入XFEL光路以及数据分析的方法。去年,亚洲地区唯一拥有XFEL的研究机构——日本理化学研究所发表了一些生物学成果。而在未来几年,德国和瑞士XFEL设施的建设也有望完成。

然而,另一种更新的技术可能让这些极其昂贵的XFEL的日子不太好过。MicroED方法于2013年底在eLife上发表,利用电子衍射来确定微小晶体的蛋白质结构。尽管电子晶体学已存在很多年,但技术上的挑战阻碍了它的广泛应用。《Nature Methods》在今年发表了MicroED的通用版本。它让微小晶体暴露在极低的电子剂量下,同时连续旋转,从而产生更准确的数据。

编辑Allison Doerr认为,X射线和电子衍射这两种方法的进一步发展有可能对结构生物学产生持久的影响。

正如清华大学颜宁教授所言:“我们正处在结构生物学最好也是最坏的时代。我们结晶分子并用X射线的衍射图谱来揭示它们的结构,而技术进步使冷冻电镜(cryo-EM)经历了一场革命。以往用结晶技术可能需要十年才能完成的困难项目,cryo-EM只需要半年就能解决。”(生物通 薄荷)

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