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低温电子显微镜技术,开启科学发现的美好未来
时间:2018/12/12 9:48:01  来源:本站原创  点击:187

 

在2017年,三位科学家分享了今年的诺贝尔化学奖:雅克杜波切特(Jacques Dubochet)、约阿希姆弗兰克(Joachim Frank)和理查德亨德森(Richard Henderson)。他们因为开发低温电子显微镜而获奖。但它是什么,它为什么令人兴奋,它将把我们带到哪里?

他们的成功是一项名为低温电子显微镜的技术,这项技术使科学家能够以前所未有的清晰度研究生物分子,尤其是寨卡病毒和被认为与阿尔茨海默病有关的蛋白质。能够以原子分辨率捕捉这些生物分子的图像,不仅有助于科学家理解它们的结构,而且为探索生物过程开辟了可能性,方法是将在不同时间点拍摄的图像拼接在一起。同时,通过低温电子显微镜收集到的信息在帮助科学家开发药物方面被证明是有价值的。曼彻斯特大学免疫学教授丹尼尔解释说。

为什么我们需要低温电子显微镜?

显微镜使科学家能够观察肉眼看不见的结构,但当这些结构非常微小时,就不能再用普通光线显微镜来做这项工作了,因为它们的波长不够短。相反,电子束可以被使用,即使用一种被称为透射电子显微镜的技术,或者科学家可以使用一种被称为X射线晶体学的方法,X射线在通过样品时被散射,形成可以分析的模式来揭示分子结构。问题是,X射线晶体学依赖于形成有序结构的生物分子,而许多生物分子无法做到这一点,而且这项技术也不允许研究人员探究分子如何运动。

历史上,瞬变电磁法也存在困难。光束本身会将被研究的生物分子炸焦,而这项技术涉及到真空的使用,这会导致生物分子的干燥,紊乱和变异,从而在探测它们的结构时给工作带来阻碍。

今年的化学奖得主解决了这些难题,让科学家能够使用透射电镜以难以置信的分辨率成像生物分子。

他们分别做了什么些什么?

亨德森和他的团队使用葡萄糖溶液防止分子干燥,将一束较弱的电子束与从多个角度拍摄的图像和数学方法结合起来,构建了一幅蛋白质在生物膜内整齐组织的三维图像。这是一个突破性的时刻。亨德森后来成功地揭开了其原子分辨率的三维结构,这是蛋白质的第一次。

与此同时,弗兰克开发了巧妙的图像处理技术,将TEM数据进行分解,并在生物分子处于溶解状态时建立图像,这些生物分子指向许多不同的方向。

杜波切特提出了一种复杂的方法来防止分子干燥。亨德森的技术并不适用于水溶性生物分子,而冷冻样品会导致冰晶的形成,从而造成损伤,并使结果图像难以解释。杜波切特的解决方案是快速冷却样品,使水分子没有时间采用常规结构。相反,它们被放置在每一个方向上,形成一个玻璃,其中的生物分子被冻结在时间里,形成以它们的自然形状。

接下来的工作将会是什么?

这三位科学家的工作,以及随后完善这些方法的努力,已经带来了惊人的发展。伦敦大学学院无机化学教授安德鲁说:“低温透射电镜技术确实打开了细胞分子世界,可以直接观察。在这些过程中,DNA被复制成单链分子RNA的机理更加清楚。”

但未来也是令人兴奋的,科学家利用这项技术探测药物靶点的结构,以及细胞内参与感知疼痛、温度和压力的成分。分辨率的进一步改进也在进行中。

安德鲁说:“低温电子显微镜是一种非常基础和重要的技术,它的应用涉及到生物学的所有领域,包括了解人体和人类疾病,以及设计新药。”

让我们期待未来在这一领域的重大突破吧。

 

 

 

 

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