两年两大顶级期刊新成果探索重点技术

　　

生物通报道：《Nature Methods》盘点2015年度技术，选出了最受关注的技术成果：单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）技术。 除此之外，也整理出了2016年最值得关注的几项技术，分别为：细胞内蛋白标记（Protein labeling in cells）、细胞核结构（Unraveling nuclear architecture）、动态蛋白质结构（Protein structure through time）、精准光遗传学（Precision optogenetics）、高度多重化成像（Highly multiplexed imaging）、深度学习（Deep learning）、亚细胞结构图谱（Subcellular maps）和综合单细胞图谱（Integrated single-cell profiles）。

其中动态蛋白质结构（Protein structure through time）分析技术主要指的就是时间分辨晶体学技术（time-resolved crystallography），这种技术在2014与2015年间多次出现在Nature，Science两大顶级期刊中，取得了许多重要的进展，令科学家们可以观察到快速蛋白结构的变化。

蛋白静态结构能帮助生物学家了解其功能，但研究人员还希望能观察到蛋白的动态变化，然而要想检测瞬时中间构象并不是件容易的事。

分析蛋白质动态变化可以采用的一种方法：时间分辨X射线晶体技术 (TRX)。这种方法利用激光“泵”脉冲启动一个反应，然后X射线“探测”到脉冲，收集一系列随着反应发生的衍射图样。

过去要完成这样的实验需要非常专业化的激光同步源，而且这些设备存在“限速”——约100 皮秒。现在近期技术进展能通过超快X 射线自由电子激光 (XFELs)，来提供飞秒级的时间分辨率，允许研究人员观察非常迅速的结构变化。

2014年，亚利桑那州立大学等处的研究人员就利用SLAC国家加速器实验室世界上最强大的X射线灯，获得了光系统II(photosystem II)将水分解为氢和氧时这一分子复合体的第一批成像图片。这一研究成果公布在Nature杂志上。

利用直线加速器相干光源LCLS（Linac Coherent Light Source），研究人员监测了光系统II复合体分子结构的改变，分辨率达到5.5Å。LCLS只提供30飞秒的照射时间，短到可以在不同的阶段定格水分解过程。

之后另外一组研究人员用X射线激光器以慢动作的形式展示了一个光敏性生物分子的快速动态。研究成果公布在Science杂志上。

研究人员将PYP蛋白（photoactive yellow protein）作为模式系统，PYP是一种蓝光感受蛋白，在特定细菌的光合作用中起作用。PYP蛋白捕获蓝光光子之后，会经过一系列中间结构获得光子的能量，然后再回到初始状态。PYP光循环的绝大多数步骤已经被人们研究过了，是验证新方法的理想模型。为了获得PYP的动态快照，研究人员制造了微小的PYP晶体，这些晶体的直径大多小于0.01毫米。他们在LCLS（目前最强的X射线激光器）系统中喷射这些微晶体，并用精确同步的蓝光脉冲启动它们的光循环。LCLS生成了极短极密集的X射线快照，捕捉到了PYP在光循环不同阶段的形态改变，分辨率达到了前所未有的0.16纳米。随后研究人员将自己获得的快照组成视频，展示了慢动作的PYP光循环。

同年，来自英国利兹大学的研究人员详细描绘了这种技术，他们指出这种新方法采用了clever maths（一种Hadamard转换），帮助科学家们利用强大的同步辐射光进行结晶或其它技术，从而完成时间分辨晶体学研究。

2015年同样发表在Science杂志上的一篇文章中，一组研究人员又利用超快XFEL脉冲，解析了肌红蛋白铁离子光解活性部位血红素二氧化碳键的结构变化。

未来一定还会有越来越的相关成果，我们期待这一技术在2016年的发展。

相关文章：

新年新气象 2016值得关注的技术

参考文献：

Time-resolved serial crystallography captures high-resolution intermediates of photoactive yellow protein

Time-resolved crystallography using the Hadamard Transform

Direct observation of ultrafast collective motions in CO myoglobin upon ligand dissociation