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冷冻电镜技术揭示生物分子细节(科技大视野)
2020-02-11 18:02:00
来源:文章来源于网络

大约300年前,莱文·胡克和罗伯特·胡克发明了光学显微镜,人类第一次用光学透镜窥视细胞微世界。光学显微镜主要利用光通过透明介质的折射原理对光进行聚焦,从而实现图像放大..目前,我们可以用光学显微镜观察单个细胞的状态,如细胞运动和细胞分裂。

20世纪30年代,德国科学家恩斯特·鲁斯卡(ErnstRuska)发现电子可以聚焦在磁场中,并发明了世界上第一台透射电子显微镜。随着透射电镜的出现,我们可以观察到一个更奇妙的微观世界。在现代透射电镜下,可以看到非常精细的原子和细胞内部结构.

现在,科学家们发明了基于透射电子显微镜的冷冻电子显微镜,以实现生物分子的近原子分辨率,让人类最终看到生物分子是如何工作的。近年来,冷冻电子显微镜逐渐成为结构生物学的重要研究工具..冷冻电子显微镜的三位先驱也因其发展和不断推广冷冻电子显微镜而获得2017年诺贝尔化学奖。

冷冻电镜技术的基本原理是将生物大分子溶液放置在电子显微镜网络上,然后利用快速冷冻技术将其冷冻到液氮温度,形成非常薄的水膜。冻结速度太快,水膜不能形成晶体,而是一层玻璃冰。生物分子被固定在薄冰中。这些冷冻样品在低温下储存,并在透射电镜下观察,以获得生物大分子的结构,称为冷冻电子显微镜技术。.

在透射电子显微镜下,高能电子束穿透每个分子,就像x射线穿过人体一样,分子的形态和内部结构可以被拍摄下来。科学家利用计算机提取样品中的每个分子,对相似分子进行分类,然后用更精细的内部结构叠加和平均图像,得到不同方向的分子的二维结构。最后,利用计算机三维重建算法得到了分子的三维模型。这一过程称为冷冻电子显微镜的三维重建分析。.

冷冻电子显微镜可以通过揭示细胞生命过程的细节,帮助人们理解许多有趣的生物现象。例如,当我们吃辣椒时,我们感到很辣,因为它们含有一种叫做辣椒素的小分子。辣椒素与位于舌神经末端的膜蛋白tprv1结合,打开细胞膜蛋白上的通道,使细胞外离子流入细胞膜内部,从而使微小的电流产生的电流最终通过神经纤维进入我们的大脑,使我们感到辛辣。在2013年,科学家使用冷冻电子显微镜分析了膜蛋白trpv1的通道结构及其与辣椒素的结合结构..据了解,这实际上是因为辣椒素与由四个亚基组成的通道膜蛋白结合,离子可以穿透。.

此外,冷冻电子显微镜技术也正在成为帮助医学研发的有力手段。科学家们在了解蛋白质结构的基础上,正在开发更有效的抗癌药物、抗生素、止痛药和麻醉剂。

在过去十多年里,中国建造了世界上最大的冷冻电子显微镜设施。中国科学家在冷冻电子显微镜领域也取得了许多成就,这引起了世界的广泛关注。例如,清华大学石益功课题组分析了与阿尔茨海默病有关的重要蛋白质结构,这对于我们了解阿尔茨海默病的发病机制,甚至制定重要的治疗方法都很重要。他们对剪接复合物结构的研究有助于我们了解细胞进化、细胞基因调控和其他相关疾病。清华大学隋新芳教授在一次光与反应实验中分析了这种捕获光能的蛋白质复合物的重要结构。2019年,中国科学家利用低温电子显微镜分析了世界上分辨率最高的猪瘟病毒的结构,这对我们了解其发病机制以及如何更好地研制一种疫苗具有重要意义。.

随着低温电子显微镜技术的发展,今天人类可以更多地了解细胞中的生命活动。未来,科学家将继续使用冷冻电子显微镜来解释复杂的生物体。

(作者为清华大学生命科学学院院长)