化学学院王欢课题组展望单分子液相电镜解析生物分子动态前景

　　

溶液态生物大分子在热扰动的驱动下发生快速的构象转变，这一过程涉及崎岖的能量景观图，因而传统的系综平均方法在解析瞬时、高能中间态上存在挑战。单分子生物物理技术，如单分子荧光、纳米孔检测和单分子力谱等的发展，将时间和空间分辨率的极限推向了与生物大分子内在动力学相关的时间和空间尺度。另一方面，冷冻电镜通过三维重构算法（如 CryoDRGN）实现从隐空间中重建生物大分子的三维结构；而时间分辨冷冻电镜（trEM）可以提供生物大分子相互作用过程中，其三维结构随时间变化的信息。但是，对溶液态生物大分子及其相互作用的动态过程进行直接成像及构象分析仍是单分子实验面临的一项重大挑战。

单分子液相电子透射显微镜（LP-EM）通过基于深度学习的图像分析方法和对电子束效应的严格评估，在解析相互作用过程中生物大分子的结构动态方面展示了其独特的能力，可以用于研究生物大分子系统（如蛋白质、DNA/RNA）中前所未见的瞬态动力学和中间构象态。

近期，北京大学化学与分子工程学院王欢课题组受邀以“Imaging Biomacromolecules in Action with Liquid-phase Electron Microscopy”为题以“Forum”形式在Trends in Chemistry上对使用单分子液相电镜技术对溶液态生物大分子相互作用的动态过程及中间态解析和深度学习图片分析方法以及分子动态三维重构等进行了展望。王欢课题组致力于发展单分子液相电镜成像技术和动态定量分析方法。目前，使用LP-EM已经对环状 DNA 构象态的分布、脂质体的动态组装、单链 DNA（ssDNA）杂交及其组装过程、双链 DNA（dsDNA）的酶催化生长过程等进行了前沿性的研究。

图1 基于深度学习的图像分析方法解析生物大分子系统中的瞬时中间构象态。A. 石墨烯液体池示意图。B. 通过基于深度学习的方法对 LP-EM 所获图像进行单分子分析的示意图。C. 平衡系统：环状 DNA 分子构象状态之间的可逆转换。D. 相互作用系统：ssDNA（t1-t3）杂交形成 dsDNA（t4）过程中，从时间序列 LP-EM 图像中解析的路径和中间环状态（t2）。E. 酶催化系统： Bgl1 酶（3.9 秒时为青色）和 T4 连接酶（13.0 秒时为黄色）催化 DNA（红色）扩增

未来，随着基于神经网络的图像分析方法的进一步发展，该方法有望成像单个蛋白质分子并分析其瞬态动力学，解析出不同于晶体形态的高能稀有构象状态并定量分析其构象态分布，比较它们在相互作用过程中的变化。同时，三维重构算法的发展有望从二维投影的LP-EM动态录影中重构生物大分子三维结构随时间变化的过程，提供更为精细和丰富的构象变化信息，以深入了解有关生物大分子功能的基本生物物理问题，如生物相互作用和疾病形成过程中的构象选择与诱导拟合机制。

该工作得到了国家自然科学基金（No. 22174006 & No. 62371007）、北京大学生物医学成像科学中心和北京大学谱学中心的资助。论文的通讯作者是王欢，第一作者是北京大学化学与分子工程学院博士生李佳烨。合作者还包括北京大学未来技术学院孙赫教授。