Nature Methods：新型蛋白結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

來(lái)自美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡(jiǎn)稱LBNL），喬治亞大學(xué)，斯克里普斯研究所等處的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的蛋白結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，利用這種技術(shù)，研究人員能更分析蛋白結(jié)構(gòu)，并且將分析速度提高上百倍。

比如在進(jìn)行連接酶修復(fù)DNA雙螺旋的過(guò)程研究中，其研究組利用X-rays和SIBYLS synchrotron beamline，對(duì)DNA連接酶、PCNA以及二者相互結(jié)合后的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像分析，并且還將X-rays結(jié)晶與小角度X-rays散射（small angle X-ray scattering ，SAXS）結(jié)合起來(lái)，利用一種叫做Sulfolobus solfataricus的有機(jī)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了杰出的研究成果。

21世紀(jì)初，各種重要物種的基因組（全DNA序列，包括有功能的基因編碼序列和功能未知的“ 垃圾”序列）的測(cè)定工作已基本完成，系統(tǒng)地解讀DNA編碼，由此理解細(xì)胞功能的分子機(jī)制和調(diào)控機(jī)制，不僅有了基本的條件，而且正在成為越來(lái)越重要的工作。由于細(xì)胞的大部分功能是由蛋白質(zhì)來(lái)行使的，而蛋白質(zhì)的氨基酸序列是由基因編碼的，因此，解讀DNA編碼的任務(wù)之一是研究蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)和功能三者之間的關(guān)系。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是三維的空間結(jié)構(gòu)，在去折疊態(tài)時(shí)，蛋白質(zhì)鏈上相距較遠(yuǎn)的氨基酸殘基之間的物理相互作用較少，在折疊態(tài)時(shí)，則存在很多這樣的長(zhǎng)程特異相互作用，它們實(shí)際上定義了蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。所謂蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)這種長(zhǎng)程的特異相互作用而言。它們本質(zhì)上是三維空間中原子和原子基團(tuán)的相對(duì)位置和取向，測(cè)定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)就是要通過(guò)物（化學(xué)）手段確定這些相對(duì)位置和取向。

在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，蛋白空間結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法zui常用的包括X射線晶體學(xué)、二維核磁共振（2D-NMR），其中X射線晶體學(xué)的特點(diǎn)是可以確定原子精度的結(jié)構(gòu)，對(duì)于有機(jī)分子和蛋白質(zhì)，可以給出幾百到上萬(wàn)個(gè)原子的相對(duì)坐標(biāo)。而二維核磁共振（2D-NMR）的二維頻域譜中的交叉峰反映某個(gè)核與相鄰的另一核之間的相互作用。

這兩種技術(shù)雖然，但速度很慢，測(cè)定一個(gè)基因的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，動(dòng)輒就需要幾年的時(shí)間，隨著結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的發(fā)展，新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)復(fù)合物越來(lái)越多，目前的分析速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研究的需要，可以說(shuō)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)重視快速、大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定，而快速結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)正是該學(xué)科研究面臨的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。

在這篇文章中，研究人員已開(kāi)發(fā)出一種能快速測(cè)定蛋白結(jié)構(gòu)的方法，這一方法能在幾天之內(nèi)完成以往幾年才能完成的實(shí)驗(yàn)。這種小角度X-射線散射技術(shù)能更分析蛋白結(jié)構(gòu)。

這種小角度X-射線散射（small angle x-ray scattering，SAXS）方法對(duì)處于自然狀態(tài)下（如在溶液之中）的蛋白進(jìn)行成像，其分辨率大約為10埃米（1埃米等于1/10納米），足夠用來(lái)測(cè)定蛋白的三維結(jié)構(gòu)。ASL產(chǎn)生的強(qiáng)光可以使實(shí)驗(yàn)所需材料減至zui少，這使得該技術(shù)可以用于幾乎所有生物分子的研究。

具體而言就是在強(qiáng)光源SIBYLS光束作用下，研究人員利用SAXS技術(shù)，可以得到自然狀態(tài)下蛋白質(zhì)的圖像。SAXS技術(shù)的空間分辨率在10埃左右，這足以檢測(cè)到任何一種蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。強(qiáng)光源可以使每個(gè)實(shí)驗(yàn)所需的材料縮減到zui小，因此該實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)幾乎任何生物分子都有實(shí)用意義。并且研究人員為了zui大限度提高測(cè)定速度，研究小組安裝了一個(gè)自動(dòng)裝置，可自動(dòng)使用移液器吸取蛋白樣品到位置，以便利用X射線散射進(jìn)行分析研究。

SAXS技術(shù)對(duì)處于自然狀態(tài)下（如在溶液之中）的蛋白進(jìn)行成像，其分辨率大約為10埃米（1埃米等于1/10納米），足夠用來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。ASL產(chǎn)生的強(qiáng)光可以使實(shí)驗(yàn)所需材料減至zui少，這使得該技術(shù)可以用于幾乎所有生物分子的研究。 ）

除此之外，研究人員還使用美國(guó)能源部國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算機(jī)中心（NERSC）的超級(jí)計(jì)算資源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用這一系統(tǒng)，研究小組取得了驚人的研究效率，在1個(gè)月內(nèi)分析測(cè)定了高溫微生物Pyrococcus furiosus（火球菌）的40組蛋白結(jié)構(gòu)。如果使用X射線晶體衍射技術(shù)，這可能需要花幾年時(shí)間。同時(shí)，他們所獲取的信息十分全面，涵蓋了溶液中大部分蛋白質(zhì)樣本的結(jié)構(gòu)信息。相比于在結(jié)構(gòu)基因組學(xué)啟動(dòng)計(jì)劃中使用核磁共振和晶體衍射技術(shù)僅能獲取15％的信息量來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)巨大的進(jìn)步。

高通量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析有助于加快生物燃料的研究步伐，幫助解讀微生物在惡劣環(huán)境中的繁榮之謎，更好地理解蛋白質(zhì)的功能。研究小組之所以首先選擇火球菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，就是因?yàn)樗捎脕?lái)生產(chǎn)清潔能源——氫。同時(shí)，在許多工業(yè)流程中都會(huì)出現(xiàn)高酸高熱的環(huán)境狀態(tài)，而這正是火球菌喜歡的生存環(huán)境。

當(dāng)然，每一種實(shí)驗(yàn)方法都有它的優(yōu)點(diǎn)與缺陷，比如每個(gè)實(shí)驗(yàn)方法的時(shí)間和空間分辨率不同，而這種方法追求速度會(huì)造成一種失衡，使成像質(zhì)量相應(yīng)打了折扣。與X射線晶體衍射成像的超高分辨率相比，小角度X射線散射成像的分辨率比較低，大約是10埃米。因此如果要想獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整圖像，還是集中幾種實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)果，使它們相互銜接。它們之間的缺失部分只能通過(guò)計(jì)算模擬和理論模型來(lái)構(gòu)建和預(yù)測(cè)。

因此發(fā)展有關(guān)蛋白的一般性理論也是非常重要的，我們可以通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，不僅可以某個(gè)蛋白的一般的物理化學(xué)性質(zhì)，還可以理解它的特殊的生物功能。

在上，美國(guó)首先提出大規(guī)模測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的計(jì)劃，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入第二期的產(chǎn)出階段。其他發(fā)達(dá)國(guó)家（歐盟和日本）也相繼啟動(dòng)自己的結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃。

根據(jù)美國(guó)*期的試驗(yàn)計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)X射線晶體學(xué)仍然是測(cè)定結(jié)構(gòu)的主要手段，這與預(yù)期的結(jié)果相符。過(guò)去和現(xiàn)在情況都是這樣，蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的80％的結(jié)構(gòu)來(lái)自X射線衍射。其他有重要貢獻(xiàn)的手段有核磁共振和低溫冷凍電鏡，由于這三種方法的重要性，zui近幾年，它們都有很大的改進(jìn)，不過(guò)也有越來(lái)越多的新技術(shù)在這一領(lǐng)域占據(jù)了新位置，比如單分子技術(shù)，SAXS等，相信在未來(lái)，還會(huì)有類似這一成果的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，終有一天，我們會(huì)破解蛋白這一生命功能重要執(zhí)行者的所有秘密。