科学家打破分辨率记录用单粒子冷冻电镜可视化单个原子

观察蛋白质中原子的精确三维排列有助于我们了解它如何执行其功能。尽管近年来电子冷冻显微镜 (cryo-EM) 作为一种重要的结构生物学技术发展迅速，但 X 射线晶体学一直是唯一能够可视化单个原子的技术。MRC 分子生物学实验室的 Radu Aricescu 和 Sjors Scheres 小组与 Thermo Fisher Scientific 和其他地方的科学家合作，现在已经能够在三维冷冻 EM 图像中首次解析单个蛋白质原子。

这项合作始于 2019 年初，当时 Radu 和 Thermo Fisher Scientific 的研究员 Abhay Kotecha 想要在一个小膜蛋白样本上测试新的冷冻电镜硬件。选择 GABAA 受体是 Radu 十多年来研究的重点，因为使用最佳可用技术可实现的最高分辨率似乎已达到 2.5 埃 (Å) 左右的限制，但显然需要更高的分辨率才能更好地设计药物。

什么是原子分辨率?

分辨率通常以 Ångströms 为单位报告，这是一种长度单位，即十亿分之一米或 0.1 纳米，是指可以看到两个物体分开的最小距离。

典型的碳-碳键的长度为 1.5 Å;蛋白质中的其他键要短一些。因此，随着分辨率降低到 1.2 Å，就可以看到蛋白质中的单个原子，从而实现真正的原子分辨率。

在测试包括冷场发射枪电子源、新能量过滤器和新相机在内的新硬件开发时，该团队还必须开发新的处理策略。先前由 Sjors 小组的 Jasenko Zivanov 开发的光学像差校正算法，以及 Chris Russo 和 Richard Henderson 提出的算法，在从图像中提取最多信息方面发挥了关键作用。

在收到 Abhay Kotecha 在荷兰埃因霍温 Thermo Fisher Scientific 在新显微镜硬件上收集的图像后，Sjors 小组的博士后 Takanori Nakane 与 Radu 小组的其他成员一起开发了 RELION 和 Andrija Sente 的最佳工作流程，使用此工作流程处理 GABAA 受体图像，同时反馈结果以快速优化显微镜设置。由 LMB 科学计算团队的 Jake Grimmett 和 Toby Darling 开发的新型高容量数据存储系统为处理生成的大约 100 TB 数据提供了关键支持。这种持续的团队努力导致了前所未有的 1.7 Å 分辨率 GABAA 受体结构。

这是对除脱铁铁蛋白以外的任何蛋白质样品使用冷冻电镜获得的最佳报告分辨率。脱铁铁蛋白通常用作冷冻电镜的基准，因为它的分子稳定性和 24 倍对称性允许从相对较少的粒子进行高分辨率重建。

使用新的硬件和处理策略，该团队能够获得 1.22 Å 分辨率的脱铁铁蛋白结构，打破了之前的 1.53 Å 记录，成为迄今为止获得的最高分辨率单粒子冷冻电镜结构。最令人印象深刻的是，这种分辨率使单个氢原子的可视化成为可能，即使是蛋白质结构内的水分子也是如此。蛋白质结构和药物结合袋中氢键网络的可视化使研究人员能够更好地了解它们是如何工作的。

这项工作代表了冷冻电镜作为结构生物学技术的关键障碍的突破，新技术、数据收集和处理策略将扩大其结构可以解析为高分辨率的蛋白质的数量。这些更高分辨率的重建将有助于更好地了解蛋白质的工作原理，并有助于设计更具体的药物，这些药物可能会对多种疾病的治疗产生影响。

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