用户名:

密 码:

测序 | miRNA | 表观遗传 | 蛋白研究 | 细胞研究 | 免疫学 | 转染 | PCR | qPCR | 核酸纯化 | 基因表达

您所在的位置:首页 > 新技术专栏

眼见为实:这些技术带你看清生物大分子的结构[创新技巧]

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年06月14日 来源:生物通

摘要:

  对于感兴趣的生物分子,大家都想看清它们的结构,了解它们的功能。这对于生物技术、药物发现等各个领域都大有裨益。于是,结构生物学成了当今的研究热点。在新一期的《BioTechniques》杂志上,Nawsheen Boodhun介绍了解析大分子所用的“神器”。

免费索取:

分享到:
  

眼见为实,耳听为虚。对于感兴趣的生物分子,大家都想看清它们的结构,了解它们的功能。这对于生物技术、药物发现等各个领域都大有裨益。于是,结构生物学成了当今的研究热点。在新一期的《BioTechniques》杂志上,Nawsheen Boodhun介绍了解析大分子所用的“神器”。

自19世纪以来,结构生物学领域一直在不断发展,并经历了一些革命性的进步。Max von Laue因发现晶体的X射线衍射现象,于1914年获得了诺贝尔物理学奖。不久后,William Bragg和Lawrence Bragg这对父子因通过X射线来分析晶体结构,在1915年被授予诺贝尔物理学奖。到1950年左右,X射线晶体学已经跳出物理学,应用到化学和生物学。它揭开了一个原本看不见的世界。

如今,许多技术可帮助研究人员观察蛋白质,并确定它们的结构,具体包括冷冻电镜、X射线晶体学以及核磁共振光谱学。超过12万种蛋白质的结构已经被揭开,而大多数要归功于X射线晶体学。

X射线晶体学

X射线晶体学是确定蛋白质和生物大分子结构的常用方法。此过程需要高浓度的纯净样本以及标本的结晶。晶体原子使一束X射线衍射到许多特定的方向。通过测量衍射光束的角度和强度,可产生晶体内电子密度的三维图像。根据这个电子密度图,人们可以建立一个蛋白质模型,并获得许多信息,如原子的平均位置和它们的化学键。

据报道,蛋白质数据库(PDB)中超过80%的大分子结构是通过X射线晶体学测定的。虽然此过程被认为是金标准,但在某些关键方面也存在局限性。这包括蛋白质结晶的不可预测性。蛋白质结晶需要可靠的蛋白来源以及纯化或浓缩方案,才能产生高质量、均匀的可溶性物质。如果没有高质量的晶体,蛋白质结构则无法确定。此外,结晶的环境也许并非生理环境,因此在某些情况下,获得的信息并不代表生物大分子。

同样需要注意的是,并非所有的标本都可以结晶,膜蛋白就是一个很大的挑战。对于大多数的生物,膜蛋白占了蛋白质组的20-30%,药物靶点的40%以上。然而,这些分子的结构很少能通过X射线晶体学来阐明。多年来,研究人员一直在寻找解决方案。他们发现,一些添加剂如小分子、去垢剂或金属离子的加入,能促进晶体形成或生长。

此外,研究人员开始另辟蹊径,通过冷冻电镜(Cryo-EM)来推断分子结构。与X射线晶体学相比,冷冻电镜能够研究许多不同构象的蛋白质结构,从而推断其作用机制。在过去几年,利用冷冻电镜已经绘制了100多个分子的结构,表明这种技术正在迅速超越X射线晶体学,成为研究大分子结构的首选方法。

冷冻电镜

2017年10月,Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson因冷冻电镜方面的工作而被授予诺贝尔化学奖。

在冷冻电镜中,生物分子被迅速冷冻,使得标本内部和周围的水被固定在玻璃态,以防止晶体的形成。利用电镜向冷冻样本发射电子束。散射后的电子通过一个镜头形成二维且放大的图像,并记录在检测器上。结合从各个角度拍摄的图像并取这些角度的平均值,可以生成蛋白质结构的3D模型。不过,如果冷冻不够迅速或样本被加热,则会形成结晶冰,影响样本的结构完整性。结晶冰也会衍射电子,从而降低图像质量。

冷冻电镜技术在了解细胞过程和发病机理上发挥了重要作用,并且有助于药物开发。例如,在寨卡病毒的研究中,病毒结构解析就起了重要作用。2016年以来,寨卡疫情引起了全世界的关注。这种由伊蚊传播的病毒与出生缺陷以及神经系统自身免疫疾病存在关联。

2016年,Sirohi等人在《Science》杂志上发表了他们的研究成果。他们利用冷冻电镜确定了寨卡病毒结构,分辨率达到3.8 Å。他们将寨卡病毒的结构与其他黄病毒的结构进行比较,发现结构大体相似,只是180个包膜糖蛋白中围绕Asn154糖基化位点的特定片段存在差异。这突出了该部分有望作为病毒对宿主细胞的附着位点,并在疾病严重程度中起作用。

冷冻电镜的优势在于能够在尽可能接近其天然形态的水合状态下观察大分子。这种在原子分辨率下捕获生物分子的图像和结构的能力,将极大地帮助研究人员理解关键的生物过程,并建立结构与功能之间的关联。

冷冻电镜已成为X射线晶体学的竞争对手,未来,它们将成为互补技术还是替代技术,这一切将由时间来决定。如今,人们正在努力提高这些技术的分辨率,以便揭示更多蛋白的结构和功能,从而更好地了解细胞过程、发病机理并开发治疗手段。

原文检索

Seeing is believing: structures and functions of biological molecules

BioTechniques  VOL. 64, NO. 4 TECH NEWS

我来说两句(0)

[Ctrl+Enter]

加载读者评论......

相关文章:

    加载相关文章......

今日文章:

    加载今日文章......
    加载中......
    加载中......

技术期刊

GE期刊 | 基因快讯

    加载中......
    加载中......

更多>>

技术大讲堂

分子 | 细胞 | 蛋白 | 其它

    加载中......
    加载中......
    加载中......
    加载中......

更多>>

特价专栏

    加载中......

更多>>

会展信息

    加载中......

更多>>

生物通首页 | 生物通首页 | 今日动态 | 生物通商城 | 人才市场 | 核心刊物 | 特价专栏 | 生物直通车 | 科研交流 | 正牌代理商 | 中国科学人 | 新技术专栏 | 技术讲座

版权所有 生物通

Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

联系信箱:

粤ICP备09063491号