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

來自美國勞倫斯伯克力國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱LBNL），喬治亞大學(xué)，斯克里普斯研究所等處的研究人員開發(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。

比如在進行連接酶修復(fù)DNA雙螺旋的過程研究中，其研究組利用X-rays和SIBYLS synchrotron beamline，對DNA連接酶、PCNA以及二者相互結(jié)合后的復(fù)雜動力學(xué)結(jié)構(gòu)進行成像分析，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，利用一種叫做Sulfolobus solfataricus的有機體進行實驗，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）的測定工作已基本完成，系統(tǒng)地解讀DNA編碼，由此理解細胞功能的分子機制和調(diào)控機制，不僅有了基本的條件，而且正在成為越來越重要的工作。由于細胞的大部分功能是由蛋白質(zhì)來行使的，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，蛋白質(zhì)鏈上相距較遠的氨基酸殘基之間的物理相互作用較少，在折疊態(tài)時，則存在很多這樣的長程特異相互作用，它們實際上定義了蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。所謂蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是針對這種長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的相對位置和取向，測定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)就是要通過物（化學(xué)）手段確定這些相對位置和取向。

在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，蛋白空間結(jié)構(gòu)的實驗測定方法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)的特點是可以確定原子精度的結(jié)構(gòu)，對于有機分子和蛋白質(zhì)，可以給出幾百到上萬個原子的相對坐標(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，測定一個基因的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，動輒就需要幾年的時間，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)合物越來越多，目前的分析速度遠遠不能滿足研究的需要，可以說結(jié)構(gòu)基因組學(xué)重視快速、大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定，而快速結(jié)構(gòu)測定技術(shù)正是該學(xué)科研究面臨的一個瓶頸問題。

在這篇文章中，研究人員已開發(fā)出一種能快速測定蛋白結(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驗。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）方法對處于自然狀態(tài)下（如在溶液之中）的蛋白進行成像，其分辨率大約為10埃米（1埃米等于1/10納米），足夠用來測定蛋白的三維結(jié)構(gòu)。ASL產(chǎn)生的強光可以使實驗所需材料減至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，這足以檢測到任何一種蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。強光源可以使每個實驗所需的材料縮減到zui小，因此該實驗技術(shù)對幾乎任何生物分子都有實用意義。并且研究人員為了zui大限度提高測定速度，研究小組安裝了一個自動裝置，可自動使用移液器吸取蛋白樣品到位置，以便利用X射線散射進行分析研究。

SAXS技術(shù)對處于自然狀態(tài)下（如在溶液之中）的蛋白進行成像，其分辨率大約為10埃米（1埃米等于1/10納米），足夠用來測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。ASL產(chǎn)生的強光可以使實驗所需材料減至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能源部國家能源研究科學(xué)計算機中心（NERSC）的超級計算資源進行數(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個月內(nèi)分析測定了高溫微生物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間。同時，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)啟動計劃中使用核磁共振和晶體衍射技術(shù)僅能獲取15％的信息量來說，這是一項巨大的進步。

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行實驗分析，就是因為它可用來生產(chǎn)清潔能源——氫。同時，在許多工業(yè)流程中都會出現(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，每一種實驗方法都有它的優(yōu)點與缺陷，比如每個實驗方法的時間和空間分辨率不同，而這種方法追求速度會造成一種失衡，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，還是集中幾種實驗方法的結(jié)果，使它們相互銜接。它們之間的缺失部分只能通過計算模擬和理論模型來構(gòu)建和預(yù)測。

因此發(fā)展有關(guān)蛋白的一般性理論也是非常重要的，我們可以通過理論與實驗的結(jié)合，不僅可以某個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，美國首先提出大規(guī)模測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的計劃，現(xiàn)在已經(jīng)進入第二期的產(chǎn)出階段。其他發(fā)達國家（歐盟和日本）也相繼啟動自己的結(jié)構(gòu)基因組計劃。

根據(jù)美國*期的試驗計劃，發(fā)現(xiàn)X射線晶體學(xué)仍然是測定結(jié)構(gòu)的主要手段，這與預(yù)期的結(jié)果相符。過去和現(xiàn)在情況都是這樣，蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的80％的結(jié)構(gòu)來自X射線衍射。其他有重要貢獻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，不過也有越來越多的新技術(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，還會有類似這一成果的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，終有一天，我們會破解蛋白這一生命功能重要執(zhí)行者的所有秘密。