NatureMethods公布2015年度技術(shù)：單粒子低溫電子顯微鏡

 　時近歲末，各大雜志接連進(jìn)行了年終盤點(diǎn)，12月30日的《NatureMethods》也盤點(diǎn)了年度技術(shù)，選出了2015年最受關(guān)注，影響廣泛的技術(shù)成果：單粒子低溫電子顯微鏡（cryo-EM）。

　　一個蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)可以提供有關(guān)其生物學(xué)功能的重要見解。作為一種結(jié)構(gòu)測定技術(shù)，單粒子cryo-EM的位次僅居于高分辨率方法X-射線晶體學(xué)及核磁共振（NMR）光譜法之后。由于近年來的技術(shù)進(jìn)展使得現(xiàn)在能夠利用cryo-EM解析近原子分辨率結(jié)構(gòu)，這種情況正在迅速地發(fā)生改變。

　　數(shù)十年里，X-射線晶體學(xué)一直是解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的首選方法。然而，許多的蛋白質(zhì)，尤其是膜蛋白和蛋白質(zhì)復(fù)合物卻難以結(jié)晶。一些替代傳統(tǒng)晶體學(xué)的方法存在各自不同的局限性。例如，串行飛秒激光晶體學(xué)（serialfemtosecondcrystallography）技術(shù)利用了X射線自由電子激光(XFEL)，不再要求單一大蛋白結(jié)晶而是獲得大量容易生成的微晶體，然而在高度專業(yè)化的XFEL下光束線時間（beamtime）的競爭是非常激烈的。NMR光譜法可用來解析小蛋白的結(jié)構(gòu)，但仍然難以將其應(yīng)用于較大的蛋白。

　　不同于晶體學(xué)，cryo-EM尤其適宜于獲得大蛋白質(zhì)復(fù)合物及顯示多種構(gòu)象或組成狀態(tài)的一些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息。過去的數(shù)十年，在這一最初很小的領(lǐng)域中的研究人員一直在穩(wěn)步地前進(jìn)，提高cryo-EM的分辨率并進(jìn)而擴(kuò)大它的生物適應(yīng)性。EvaNogales在本期的NatureMethods雜志上介紹了cryo-EM成為一種主流結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)的開發(fā)史。

　　這一曾經(jīng)很小的領(lǐng)域現(xiàn)正在突飛猛進(jìn)。一種新型的高度敏感直接探測照相機(jī)可直接捕捉到電子，有可能實(shí)現(xiàn)分辨率的飛躍。第一批探索這些新型探測器的論文發(fā)布于2013年，2014年看到了幾篇用cryo-EM解析一些重要的高分辨率結(jié)構(gòu)的論文。2015年，多項(xiàng)研究已突破了3埃（Å）的分辨率障礙——這一前所未有的壯舉甚至讓一些長期的cryo-EM從業(yè)者都感到驚訝。

　　但一臺好的檢測器并非是萬能的。一項(xiàng)成功的cryo-EM研究很大程度上依賴于好的樣本制備以及復(fù)雜的圖像處理軟件。AllisonDoerr在本期的NatureMethods雜志上探討了這一問題。

　　cryo-EM分辨率變革才剛剛開始，RobertGlaeser在一篇評論文章中對此進(jìn)行了探討。檢測器技術(shù)敏感度增高為開發(fā)出一些新的改良方法帶來了機(jī)會，這些方法將進(jìn)一步推動提高分辨率、適用性和易用性。盡管cryo-EM尤其適用于大型蛋白質(zhì)復(fù)合物，到目前為止研究的這些蛋白質(zhì)復(fù)合物都主要是一些容易摘到的果實(shí)。當(dāng)前迫切需要一些實(shí)用、可重復(fù)的、通用樣本制備方法來擴(kuò)展cryo-EM的適用性，檢測出迄今為止所有結(jié)構(gòu)技術(shù)無法確定的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)分析方法也需要進(jìn)一步的改進(jìn)，研究人員希望得到一些簡單的、可靠的計(jì)算方法將原始的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其用于檢測具有結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的系統(tǒng)。

　　像所有處于飛速增長期的科學(xué)領(lǐng)域一樣，cryo-EM也有成長的煩惱。本期的NatureMethods雜志的一篇新聞專稿討論了這一問題。令人鼓舞的是，許多的國家都在建設(shè)具有高端儀器的國家用戶設(shè)施，然而當(dāng)前這一高端儀器供不應(yīng)求。許多研究人員都盼望能夠利用這一技術(shù)，但cryo-EM并非是一種自動化技術(shù)（至少目前不是）。在樣本制備和數(shù)據(jù)分析過程中有許多復(fù)雜的步驟，研究人員必須小心地正確應(yīng)用、記錄和驗(yàn)證以避免犯錯誤。確保新cryo-EM從業(yè)人員接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)至關(guān)重要。

　　不過，cryo-EM的這些發(fā)展并未意味著晶體學(xué)的終結(jié),X-射線晶體學(xué)將仍然是一種用于解析容易結(jié)晶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大技術(shù)。