院士Science解開長(zhǎng)期生物學(xué)謎題
日期：2015-09-29 10:16:13
最近，澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員，與日本、德國(guó)和瑞士的同事合作的一項(xiàng)研究，以原子級(jí)的分辨率解析了線粒體外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物（TOM）的分子結(jié)構(gòu)。這一研究是由澳大利亞科學(xué)院院士、澳大利亞桂冠院士Trevor Lithgow指導(dǎo)完成，解開了生物學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期的謎題，于九月二十五日發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Science》。
線粒體經(jīng)常被稱為細(xì)胞的發(fā)電廠，因?yàn)樗鼈兡墚a(chǎn)生類似于從電池獲得的化學(xué)能量。無論是大腦、肌肉還是植物細(xì)胞中，有一種納米級(jí)的通道，通過仔細(xì)地讓某些蛋白和其他分子進(jìn)入我們的線粒體，控制著線粒體電池的活性。其中一些蛋白質(zhì)是大而復(fù)雜的分子，但它們基本上能從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入線粒體，而線粒體膜仍保持防水性和完整性。這個(gè)過程是怎么發(fā)生的？幾十年來一直困擾著科學(xué)界。延伸閱讀：線粒體在免疫功能中的新作用。
Trevor Lithgow教授是該研究的首席研究員、莫納什大學(xué)新成立的生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所（BDI）成員，他介紹說，這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著，科學(xué)家們現(xiàn)在可以使用這項(xiàng)技術(shù)來確定通過任何膜的任何分子。他解釋說：“像蛋白質(zhì)這樣的大分子，如何通過膜進(jìn)進(jìn)出出，一直是一個(gè)謎。我們已經(jīng)表明，這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于解決細(xì)胞中發(fā)生的所有基本途徑的原子尺度細(xì)節(jié)，從而為直接應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究開辟了新的途徑。”
Lithgow教授和他的團(tuán)隊(duì)使用一種新的技術(shù)，使活生物體的遺傳密碼除了常見的20個(gè)氨基酸之外，還擴(kuò)展到包括非天然氨基酸。該技術(shù)已被用于在澳大利亞以外的少數(shù)實(shí)驗(yàn)室。Lithgow教授和BDI的首席研究員Takuya Shiota，專注于TOM蛋白復(fù)合物——一組大的復(fù)雜的分子，嵌入在線粒體膜中，但是它們嵌入膜的方式一直困惑著研究人員。據(jù)Lithgow教授介紹，他們進(jìn)行了很多種嘗試，但是沒有取得進(jìn)展，他們利用X射線晶體學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的其他標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，解開了TOM 40運(yùn)輸?shù)拿孛堋?span lang="EN-US">
Lithgow的實(shí)驗(yàn)室，與名古屋大學(xué)、京都大學(xué)和東京大學(xué)的同事共同合作，提升了這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模，可以分析數(shù)以百計(jì)的重編碼TOM 40復(fù)合物，每一種復(fù)合物都具有一個(gè)新的額外的21st氨基酸。最終得到一個(gè)三維數(shù)據(jù)的魔術(shù)方塊，并在最后有一個(gè)獨(dú)特的解決方案，來解釋TOM 40蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并闡釋它作為進(jìn)入線粒體的通道是如何運(yùn)作的。
通過展示這項(xiàng)技術(shù)，Lithgow教授認(rèn)為，研究人類細(xì)胞生物學(xué)中不同過程的其他實(shí)驗(yàn)室，將會(huì)模仿這些實(shí)驗(yàn)來確定他們選擇的納米機(jī)器是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。這包括很多過程，從DNA損傷和修復(fù)，到調(diào)節(jié)代謝紊亂和癌癥這樣的事件。他說：“這項(xiàng)新技術(shù)揭示了生物學(xué)中一個(gè)主要的未知數(shù)，以及現(xiàn)在正在探索的其他細(xì)胞奧秘。”
這項(xiàng)研究是Lithgow教授15多年工作達(dá)到的高潮。當(dāng)他在巴塞爾大學(xué)人類前沿科學(xué)項(xiàng)目從事博士后研究時(shí)，開始致力于研究蛋白質(zhì)和其他分子如何進(jìn)入線粒體，回到澳大利亞后他繼續(xù)尋求TOM 40的秘密。他說：“有了這一發(fā)現(xiàn)，我將在幾年內(nèi)專注于將這一技術(shù)轉(zhuǎn)移到澳大利亞其他實(shí)驗(yàn)室。”
根據(jù)BDI主任John Carroll教授介紹，這項(xiàng)研究是跨學(xué)科方法的一個(gè)很好的例子，將是IBD研究所的一個(gè)重要標(biāo)志。他說：“我們把來自所有生物醫(yī)學(xué)學(xué)科的科學(xué)家，與數(shù)學(xué)家、化學(xué)家及其他人集中一起，獲得了這一重要的發(fā)現(xiàn)，提供了關(guān)于‘我們的身體是如何運(yùn)作的’的重要新信息。”
