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單分子成像：結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來
日期：2025-05-01 00:40
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摘要：
結(jié)構(gòu)到功能的研究對生物學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)幫助科學(xué)家們解析出了更多的生物大分子的結(jié)構(gòu)，解決了很多生物學(xué)的根基上的問題。然而，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展受到了技術(shù)層面上的重大瓶頸。新技術(shù)的出現(xiàn)，將對結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展帶了跨越式的進(jìn)展。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析方法是X光衍射和核磁共振成像（NMR）。X光衍射（X-ray），通過高能的X光轟擊生物大分子的晶體，可以獲得電子密度的信號，從而可以構(gòu)建出大分子的三維坐標(biāo)，可以解析相對較大的分子構(gòu)象。但是，X-ray成像的方法有著一定的缺陷，...
結(jié)構(gòu)到功能的研究對生物學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)幫助科學(xué)家們解析出了更多的生物大分子的結(jié)構(gòu)，解決了很多生物學(xué)的根基上的問題。然而，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展受到了技術(shù)層面上的重大瓶頸。新技術(shù)的出現(xiàn)，將對結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展帶了跨越式的進(jìn)展。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析方法是X光衍射和核磁共振成像（NMR）。X光衍射（X-ray），通過高能的X光轟擊生物大分子的晶體，可以獲得電子密度的信號，從而可以構(gòu)建出大分子的三維坐標(biāo)，可以解析相對較大的分子構(gòu)象。但是，X-ray成像的方法有著一定的缺陷，首先是X光衍射需要獲得大分子的晶體，這相當(dāng)之難，同時晶體狀態(tài)下的大分子構(gòu)象可能并不是生物活性狀態(tài)，而且該方法沒辦法解決更大型的分子。而NMR成像利用氫原子核在強(qiáng)磁場下的共振獲得信號，可以在溶液狀態(tài)下解析出分子的三維結(jié)構(gòu)。但是NMR受限于強(qiáng)磁場的強(qiáng)度，只能解析較小的生物大分子，也限制了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展。
因為結(jié)構(gòu)生物學(xué)希望能夠獲得更大型、多聚體、復(fù)合物的生物活性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，X-ray和NMR都存在著天然的缺陷。然而，早已出現(xiàn)的電子顯微鏡（EM）卻在近些年來廣泛用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，讓古老的技術(shù)放出了新的活力。更敏感的電子檢測探頭的出現(xiàn)，更高效準(zhǔn)確的計算重構(gòu)方法，讓該技術(shù)更有潛力。該方法不需要大分子形成晶體，結(jié)合其他的樣本準(zhǔn)備方式，冷凍蝕刻電鏡已經(jīng)成為了單分子成像領(lǐng)域的熱門，可以用來解析超過50千道爾頓到數(shù)千千道爾頓的優(yōu)選技術(shù)。但是，該方式也存在著一個問題就是，該方法解析出的結(jié)構(gòu)是分子的平均構(gòu)象，讓得到的機(jī)構(gòu)更加模糊。該問題對于X-ray和NMR也同樣存在。
然而 Longchamp等人開發(fā)出了一種新的結(jié)構(gòu)解析方法，基于單分子的成像，可以解析出單個分子的結(jié)構(gòu)信息，而不平均的構(gòu)象。該方法需要特殊的樣本準(zhǔn)備方法。需要利用離子束將樣本在超真空環(huán)境下的超清潔的石墨烯平面上軟著陸。因為石墨烯的穩(wěn)健的強(qiáng)度，對電子束超好的透明性，使其成為了生物成像領(lǐng)域的新寵兒，還被用于了**的冷凍蝕刻電鏡成像。與電鏡成像不同，該新方法使用傳統(tǒng)的相對較弱的電子束，來產(chǎn)生成像信號，避免高強(qiáng)度電子束對于樣本的損壞。同時，基于CCD的電子檢測器可以高效收集電子的散射信號。超清潔的石墨烯基質(zhì)至關(guān)重要，因為全息成像需要**地減去背景的電子信號噪音。CCD獲得電子信號后通過數(shù)學(xué)方法可以重構(gòu)出單分子的結(jié)構(gòu)圖。
Longchamp等人發(fā)明的單分子全息電子散射成像的方法有著很多好處，首先是需要的電子束要求不高，所以不會很貴，而且不需要形成晶體來成像。同時，低能量電子也不會對樣品造成太大的破環(huán)。而可以重構(gòu)單分子的三維結(jié)構(gòu)，而不是平均結(jié)構(gòu)，這樣可以抓住蛋白質(zhì)等大分子的多種狀體下的三維結(jié)構(gòu)，這對于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物物理學(xué)意義非凡。當(dāng)然，該方法目前只能獲得低精度的結(jié)構(gòu)，更加嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法將幫助該方法，來獲得更好的結(jié)構(gòu)。
盡管現(xiàn)在冷凍蝕刻電鏡（Cryo-EM）正如日中天，單分子全息成像的技術(shù)卻更能代表結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來?；蛟S結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大發(fā)展就在不遠(yuǎn)的未來。
