《自然沟通》
蛋白质是人体不可或缺的营养物质，它能修复和维持肌肉组织，是生物系统的主力军，总是以非凡的精度和速度开展工作。多年来，观察蛋白质的作用对科学家来说一直是个重大挑战，因为蛋白质的“舞步”速度太快，而目前使用的成像方法缺乏足够的速度和分辨率来进行捕捉。
现在，由瑞士洛桑联邦理工学院的乌尔里希·洛伦兹（Ulrich Lorenz）教授领导的一组科学家使用了一种新颖的成像技术，将冷冻电子显微镜（cryo-EM）的时间分辨率降低到微秒，得以实时观察病毒的快速动态，为观察蛋白质功能提供了新的解决办法。该研究发表在《自然沟通》（Nature Communications）上。
研究人员于2021年首次开发了基于冷冻电镜的成像技术，该技术能够以原子精度捕获蛋白质等生物分子的图片。在冷冻电镜中，样品嵌入玻璃冰中，玻璃冰是一种玻璃状的冰，当水冻结得如此之快以至于无法发生结晶时，就会获得玻璃状冰。通过玻璃化样品，可以用电子显微镜拍摄其分子结构的高分辨率照片。创新的冷冻电镜方法为其发明者雅克·杜波谢、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森赢得了2017年的诺贝尔化学奖。
2021年，洛伦兹和他的实验室扩展了冷冻电镜的功能，通过用激光脉冲快速熔化玻璃化样品，在微秒（百万分之一秒）的时间尺度上捕获了蛋白质运动的图像。当冰融化成液体时，它打开了一个“可调”的时间窗口，在这个时间窗口内，蛋白质可以被诱导以它们在细胞中天然液态的方式移动。
洛伦兹和他的团队用这种方式来阐明豇豆氯斑驳病毒（CCMV）衣壳的机制，他们清晰地观察到pH值跳跃导致衣壳的扩展配置在微秒时间尺度上的收缩。该过程类似于当静电排斥力被消除时触发的塌陷，从而使衣壳保持膨胀。
新的成像技术创造了奇迹。“我们能通过这种纳米级机器观察到衣壳蛋白的以不同速度发生不同运动。”洛伦兹说，“我们还可以看到病毒处于延伸状态，就像一个突然释放和收缩的拉伸弹簧。”
在蛋白质执行任务时，迅速而飘忽的“走位”总是让人难以捉摸，这也从根本上使得人们对蛋白质功能的理解不完整。而洛伦兹的实验证明了微秒级时间分辨冷冻电镜能够观察快速蛋白质运动，有望从根本上促进人们对蛋白质功能的理解。
除了病毒之外，新的微秒时间分辨冷冻电镜技术还可以用来观察自然界中其他事物运动的过程。洛伦兹说：“目前没有其他方法能够进行这种类型的观察。如果将这一实验扩展到更广泛的自然领域，有可能彻底改变我们对蛋白质功能的理解。”
生命的一个决定性特征是它发生在远离平衡的地方。通过能够快速观察非平衡动力学，微秒级时间分辨冷冻电镜有望从根本上促进我们对生命系统的理解。
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参考文献：DOI：10.1038/s41467-023-41444-x
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编辑：彭湖
