“在分子尺度上，即便一種蛋白質也是形態各異的，可以想象成不同的舞蹈動作，但之前的技術很難捕捉到動作的‘每一幀’?！?月12日，中國醫學科學院基礎醫學研究所、北京協和醫學院基礎學院研究員王晨軒在接受科技日報記者采訪時表示，團隊與合作者成功利用掃描隧道顯微技術，對蛋白質形態各異的共存微觀結構進行了系統測量，這在世界上還是首次。
王晨軒團隊與俄亥俄州立大學、國家納米科學中心、加州理工大學、哈佛大學科學家合作完成的該項成果，近日發表在《科學進展》上。
蛋白質構象可以“所見即所得”
從給蛋白質“拍照”專用的冷凍電鏡獲諾獎，到全新蛋白質結構解析屢登國際期刊，生命科學領域對于蛋白質結構、構象、運轉機制的探索一直孜孜以求。但時至今日，捕捉蛋白質分子“舞動”時的每一幀仍然困難。
“科學家發展出了很多技術觀測蛋白質結構?！蓖醭寇幗忉專热缬械囊蟀训鞍踪|制備成晶體再根據X射線的衍射路徑推算結構，有的需要進行同位素標記再進行波譜分析……這些方法都對天然蛋白質進行了“加工”，很難呈現它們的“原貌”。
不止如此，傳統技術只能給出“群體畫像”，很難呈現出蛋白質分子的“千變萬化”?！按饲暗臏y量一般是測定多個蛋白質分子的平均值。平均化處理會使得測量結構和真實結構之間存在出入。”王晨軒說。
那么，有沒有可能完成“所見即所得”的實拍？
“掃描隧道顯微技術是直接對每個分子進行測量，不需要對樣本進行特殊處理，也不涉及平均化，因而能更準確地反映出蛋白質真實的結構，而且具有足夠高的分辨率能反映一種分子、多種結構的蛋白質體系，實現‘所見即所得’?！蓖醭寇幷f。
提高精度和算力，看清結構差異
掃描隧道顯微技術的關鍵是一根極細的針，它細到能“站”在一個原子的頭頂，拿走（或送出）電子，產生隧道電流。人們探測電流就能識別出蛋白質分子上一個個原子的位置和大小。
為了更清晰地看到蛋白質分子“舞動”的每一幀，就必須提高掃描隧道顯微技術的精度，可是在當前的制造水平下，針已經細到極致，怎么辦？
“我們試著在掃描隧道顯微鏡的單原子探針上施加了一個電壓脈沖，保證探針在測量時一直處于單原子水平的尖銳程度，因而獲得超高分辨率的成像圖像?！蓖醭寇幐嬖V記者，在改進硬件的同時，團隊還編寫了自動化圖像分析與數據處理軟件，增強了數據處理的算力，最終實現了蛋白質分子不同構象變化的“幀級”捕捉。
為了驗證這樣的新技術可以奏效，團隊挑戰了對一種蛋白質共性結構（β片層）的測量?！拔覀兊臏y量結果讓人們對于這個結構的認知更加豐富了。”王晨軒說，β片層是造成老年癡呆的淀粉樣蛋白質的特征性結構，過去認為β片層高度有序，大致可以理解為只有一種結構。探測結果卻顯示，這一結構至少存在10種不同的構象微觀狀態。
“我們的探測精度增加了，結構的差異就能看得更明顯?！蓖醭寇幷f，團隊還發現，每種構象都有“喜好”，比如更喜歡與相似構象的蛋白質片段發生相互作用。
憑借全新技術，人類將能掌握更清晰的蛋白質結構圖紙，弄清構象與功能的關系，助力超分子材料設計、藥物載體構建等前沿研究。王晨軒表示，β片層已經應用于研發超分子組裝材料，應用于組織工程和藥物遞送，對于這類結構的高清解析將進一步優化醫藥開發和應用。此外，觀測解析蛋白質結構對于理解疾病的發生機制也有重大意義。
