加州大學舊金山分校的研究人員最近捕獲了一種蛋白質的精美圖像，這種蛋白質結合了一種新型治療藥物，具有足夠的分辨率，可以模擬蛋白質和藥物的各個原子如何排列。

直到最近，這樣的壯舉才被認為是不可能的，但在過去五年中，這種突破在這里變得幾乎普遍，這是由加州大學舊金山分校研究人員領導的決議革命的一部分。

由于他們最近在低溫電子顯微鏡(cryo-EM)方面取得的進展 - 這項技術的發(fā)明者獲得了2017年諾貝爾化學獎 - 這些研究人員在尋求更廣泛的精確和強大療法方面取得了快速進展。人類疾病。

蛋白質是微小的分子機器，為我們的細胞所做的一切提供動力 - 它們也是藥物的主要目標。了解新蛋白質的工作原理可以為癌癥或新型止痛藥帶來挽救生命的治療方法，減少成癮的危險。

但要真正了解蛋白質的功能，研究人員必須能夠在原子尺度上對其進行可視化。以前，這需要精心生長的蛋白質晶體 - 這個過程可能需要數年時間才能正確 - 然后通過晶體拍攝X射線來計算蛋白質的原子組成。不幸的是，許多最有趣的蛋白質和復合物不能結晶。

Cryo-EM自20世紀70年代開始出現，但自2013年以來，由UCSF的David Agard博士和Yifan Cheng博士開創(chuàng)的技術進步大大提高了cryo-EM解決最小和最復雜蛋白質的能力。令人驚嘆的細節(jié)，幾乎在一夜之間將電子顯微鏡從老式的實驗室后期主力轉變?yōu)樽钚碌目茖W超級明星。

Agard和Cheng在開發(fā)能夠檢測單個電子的相機硬件和軟件方面的努力激發(fā)了這種低溫EM的復興 - 這一目標長期以來一直被認為是不切實際的，但是這兩個人通過將加州大學舊金山分校的科學家和工程師聚集在一起來完成，勞倫斯伯克利國家實驗室和加州普萊森頓的Gatan公司生產EM相機。

“不久前整個領域都認為計算單個電子是不可行的，”程回憶道。“但在加州大學舊金山分校，文化培養(yǎng)了我們做其他人認為不可能的事情。”

盡管許多同行持懷疑態(tài)度，但Agard和Cheng--他們都是加州大學舊金山分校和霍華德休斯醫(yī)學研究所的生物化學和生物物理學教授 - 認識到捕獲單個電子對于電子顯微鏡解析關鍵生物蛋白的能力至關重要。細節(jié)讓科學家了解它們的功能。

“這不只是讓蛋白質看得更清楚，”Agard解釋說。“有一個確切的點，你可以看到相當無用的斑點，直接解釋分子的結構。電子計數相機確實提供了我們理解蛋白質的基礎化學能力的巨大飛躍 - 它的功能如何以及如何運作設計與之相關的藥物。“

自2013年他們的第一部大片論文證明新的相機和軟件能夠以近原子分辨率分辨蛋白質后，該技術已被該領域廣泛采用。它也使Cheng和Agard自己的研究取得了巨大進步，從了解蛋白質的關鍵到痛苦的感覺，這可能是新一代藥物的目標，發(fā)現蛋白質如何保持其正確的形狀，這對于癌癥和阿爾茨海默病等以畸形蛋白為特征的疾病。

加州大學舊金山分校的另一位領先的低溫EM研究員，Adam Frost，醫(yī)學博士，博士，2014年作為助理教授加入該大學以利用這項新技術的力量，一直致力于使用cryo-EM來確定新的藥物種類在原子水平上與其靶蛋白結合。

“Cryo-EM現在允許我們以幾年前從未有過的細節(jié)水平研究蛋白質，”弗羅斯特說。

Frost和Cheng也一直在使用cryo-EM來了解細胞表面的信號蛋白 - 從止痛藥到癌癥療法的藥物的關鍵目標 - 是如何受到它們漂浮的細胞膜以及蛋白質如何彎曲和塑形的影響。膜。值得注意的是，能夠檢測其天然膜中蛋白質結構的能力 - 這也被該領域認為是不可能的 - 是2016年由Cheng首次實現的。

最近使用cryo-EM的工作非常成功，加州大學舊金山分校的許多研究人員已經開始要求共享范圍內有限的顯微鏡時間。幸運的是，今年早些時候收購了全新的全自動低溫電子顯微鏡，其中包括由霍華德休斯醫(yī)學研究所資助的價值500萬美元的最先進的Titan Krios系統，由一位匿名捐贈者資助的價值600萬美元的Titan Krios UCSF神經退行性疾病研究所 - 加州大學舊金山分校威爾神經科學研究所的一部分 - 以及由美國國立衛(wèi)生研究院和加州大學舊金山分校資助的300萬美元Arctica系統，越來越多的大學和灣區(qū)研究人員將能夠進行他們的研究更上一層樓。

Agard認為低溫EM革命與校園中其他新興工作密切協同，以完全規(guī)劃疾病的生物學，例如加州大學舊金山分校定量生物科學研究所所長Nevan Krogan博士的工作，他正在繪制共同的網絡。從癌癥到艾滋病毒到精神分裂癥等疾病的基因和蛋白質;以及Brian Shoichet博士的工作，他在加州大學舊金山分校藥學院的實驗室使用蛋白質結構來計算設計適合鎖定和關鍵目標蛋白質的定制藥物。

“加州大學舊金山分校正在開發(fā)一條非常完整的管道，新技術和方法相互促進，以提高我們對各級疾病生物學的認識，”Agard說。“這開始對整個校園產生巨大影響，但現在我們需要擴大規(guī)模以降低障礙，加快從圖像到治療的過渡。”