Nature Methods公布2015年度技術

日期：2016-01-04 09:05:30

時近歲末，各大雜志接連進行了年終盤點，12月30日的《Nature Methods》也盤點了年度技術，選出了2015年最受關注，影響廣泛的技術成果：單粒子低溫電子顯微鏡（cryo-EM）。

一個蛋白質或蛋白質復合物的三維結構可以提供有關其生物學功能的重要見解。作為一種結構測定技術，單粒子cryo-EM的位次僅居于高分辨率方法X-射線晶體學及核磁共振（NMR）光譜法之后。由于近年來的技術進展使得現在能夠利用cryo-EM解析近原子分辨率結構，這種情況正在迅速地發生改變。

數十年里，X-射線晶體學一直是解析蛋白質結構的首選方法。然而，許多的蛋白質，尤其是膜蛋白和蛋白質復合物卻難以結晶。一些替代傳統晶體學的方法存在各自不同的局限性。例如，串行飛秒激光晶體學（serial femtosecond crystallography）技術利用了X射線自由電子激光 (XFEL)，不再要求單一大蛋白結晶而是獲得大量容易生成的微晶體，然而在高度專業化的XFEL下光束線時間（beamtime）的競爭是非常激烈的。NMR光譜法可用來解析小蛋白的結構，但仍然難以將其應用于較大的蛋白。

不同于晶體學，cryo-EM尤其適宜于獲得大蛋白質復合物及顯示多種構象或組成狀態的一些系統的結構信息。過去的數十年，在這一最初很小的領域中的研究人員一直在穩步地前進，提高cryo-EM的分辨率并進而擴大它的生物適應性。Eva Nogales在本期的Nature Methods雜志上介紹了cryo-EM成為一種主流結構生物學技術的開發史。

這一曾經很小的領域現正在突飛猛進。一種新型的高度敏感直接探測照相機可直接捕捉到電子，有可能實現分辨率的飛躍。第一批探索這些新型探測器的論文發布于2013年，2014年看到了幾篇用cryo-EM解析一些重要的高分辨率結構的論文。2015年，多項研究已突破了3埃（Å）的分辨率障礙——這一前所未有的壯舉甚至讓一些長期的cryo-EM從業者都感到驚訝.

但一臺好的檢測器并非是萬能的。一項成功的cryo-EM研究很大程度上依賴于好的樣本制備以及復雜的圖像處理軟件。Allison Doerr在本期的Nature Methods雜志上探討了這一問題。

cryo-EM分辨率變革才剛剛開始，Robert Glaeser在一篇評論文章中對此進行了探討。檢測器技術敏感度增高為開發出一些新的改良方法帶來了機會，這些方法將進一步推動提高分辨率、適用性和易用性。盡管cryo-EM尤其適用于大型蛋白質復合物，到目前為止研究的這些蛋白質復合物都主要是一些容易摘到的果實。當前迫切需要一些實用、可重復的、通用樣本制備方法來擴展cryo-EM的適用性，檢測出迄今為止所有結構技術無法確定的結構。數據分析方法也需要進一步的改進，研究人員希望得到一些簡單的、可靠的計算方法將原始的二維圖像轉變為三維的蛋白質結構，尤其用于檢測具有結構異質性的系統。

像所有處于飛速增長期的科學領域一樣，cryo-EM也有成長的煩惱。本期的Nature Methods雜志的一篇新聞專稿討論了這一問題。令人鼓舞的是，許多的國家都在建設具有高端儀器的國家用戶設施，然而當前這一高端儀器供不應求。許多研究人員都盼望能夠利用這一技術，但cryo-EM并非是一種自動化技術（至少目前不是）。在樣本制備和數據分析過程中有許多復雜的步驟，研究人員必須小心地正確應用、記錄和驗證以避免犯錯誤。確保新cryo-EM從業人員接受適當的培訓至關重要。

不過，cryo-EM的這些發展并未意味著晶體學的終結,X-射線晶體學將仍然是一種用于解析容易結晶的蛋白質結構的強大技術。