生物学研究用箱

p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 化学生物学，起源于上世纪90年代，是一个处于化学研究和生物学研究临界点的新兴的交叉学科。通过先进的化学手段，化学生物学研究为生命科学的探索提供一系列崭新的工具和研究方式，是推动生命科学、生物医药等发展的重要基础，也是目前化学和生命科学研究的热点领域。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " a href=" http://www.chem.pku.edu.cn/" target=" _blank" style=" text-decoration: underline " span style=" text-decoration: underline color: rgb(31, 73, 125) " strong span style=" color: rgb(31, 73, 125) font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 北京大学化学与分子工程学院 /span /strong strong span style=" color: rgb(31, 73, 125) font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " /span /strong /span strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " /span /strong /a span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 早在2001年就专门成立的化学生物学系，是国内最早开设相关研究机构的院系之一。以该系为核心基础，北京大学于2011年成立了跨学科实体研究中心 /span a href=" http://www.chem.pku.edu.cn/sfbc/" target=" _blank" style=" text-decoration: underline color: rgb(31, 73, 125) " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(0, 0, 0) " 合成与功能生物分子中心(SFBC) /span /strong strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(0, 0, 0) " /span /strong /span /a span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 0em " 。经过数年的发展，SFBC已经成为享誉国内外的一流化学生物学中心。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 近期，仪器信息网特别采访了北京大学化学分子工程学院化学生物系和合成与功能生物分子中心的特聘研究员王初。采访期间，王初研究员为我们介绍了他的研究工作，生动地展示了这个新兴交叉学科的魅力，以及质谱这一高精度仪器在化学生物学研究中所发挥的作用。 /span /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/7a155130-6b4e-42f5-bac6-d3987f481031.jpg" title=" 1.png.jpg" alt=" 1.png.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong 北京大学化学与分子工程学院化学生物系王初研究员 /strong br/ /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" color: rgb(255, 0, 0) font-size: 20px " strong 用化学技术揭示蛋白质功能 /strong /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 如何发展和应用化学技术探究和解决生物学问题，是化学生物学研究的大方向。围绕这一问题，化学生物学分为很多不同的分支。王初的课题组主要关注如何通过多种跨领域的技术和手段，发现和揭示复杂生命体系中蛋白质的新功能。王初介绍说，人类基因组计划，将人源蛋白质从原来已知的几百种扩充到庞大的两万种左右，而各种剪接及翻译后修饰使得蛋白质的形式更加复杂多样。这些不同蛋白质的剪接、修饰以及其在生命体中的分布，都对蛋白质的活性和功能具有不同的影响。蛋白质是生命现象的直接体现者，也是生命功能的主要执行者，因此研究这些新发现的蛋白质的活性与功能，将极大地促进阐明生命在生理或病理条件下的变化机制，并为药物开发及医疗手段研发提供依据。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 传统的蛋白组学研究，通过质谱技术分析组织和细胞中蛋白质的组成和含量，即偏重蛋白质本身性质分析。而要研究蛋白质的功能及其变化，则需要引入更多的技术和方法，王初重点介绍了一种名为“基于活性的蛋白质组学分析”的技术(Activity-based Protein Profiling, ABPP)。他举例说到，生物体中存在很多蛋白酶，它们在体内经历着从最初没有活性到激活再到失去活性的过程，只会在特定的时候发挥作用。“当蛋白酶发挥作用的时候，从分子水平上看，它的活性催化中心一定会暴露出来。这样我们就可以有针对性地设计一种带有靶向反应基团的化学小分子——‘活性分子探针’，可以通过特定的化学反应和与活性中心的氨基酸残基共价连接起来。活性分子探针的另一端是一个富集标签(例如生物素)，这样活性分子探针就可以在蛋白酶的活性中心暴露出来发挥酶活作用的时候，在它上面添加一个小分子的标记，再通过富集标签将它们从整个复杂全蛋白质组体系中分离富集出来。进而通过生物大分子质谱技术进行鉴定，就可以大幅提升对这些功能蛋白酶鉴定的灵敏度。通过有针对性的探针设计，我们实现把具有不同类型催化中心的蛋白酶都‘抓’出来，而且这些被探针捕获的蛋白通常都是具有特定活性和功能的。” 王初说到，“我们把这种结合了化学探针标记和生物大分子质谱的功能蛋白质组学研究称为化学蛋白质组学。” /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/2a62493a-74c9-45ba-a226-e85e50ccb6f9.jpg" title=" 2.png.jpg" alt=" 2.png.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" line-height: 1.5em text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp 这个方法推而广之，除了识别和发现特定类型的蛋白酶，还可以拓展到蛋白质翻译后修饰以及生物活性的小分子的作用靶标蛋白鉴定等领域。在这些方向，王初的课题组都做了大量的工作。例如，他们发展了蛋白质醛基化修饰捕捉探针，揭示了该修饰在细胞铁死亡中发挥的作用(J Am Chem Soc 2018. 140 (13), 4712-4720.) 他们鉴定抗炎代谢物衣康酸在蛋白质组内的修饰位点，解析了衣康酸抗炎活性的分子机制(Nature chemical biology 2019. 15 (10), 983-991.) 他们系统分析了内源代谢物胆酸的结合蛋白，为研究胆酸介导的生物学通路提供了丰富的线索(ACS central science 2017. 3 (5), 501-509.)。“化学蛋白质组学，可以帮助我们在非常复杂的生命体的环境下，把一些低丰度的、但有很重要功能的蛋白特定富集出来，这对于基础生物学研究有很大帮助。” /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 除了在基础科研领域发挥作用，化学蛋白质组学在生物医药研发、中药现代化研究中也发挥了非常重要的作用。王初提到，通过化学蛋白质组学的方法，其课题组鉴定了中药黄芩中的活性分子黄芩苷的分子靶标，揭示了该天然产物治疗肥胖、脂肪肝及其相关代谢疾病的分子机制 (Proc Natl Acad Sci U S A 2018. 115 (26), E5896-E5905.)。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-size: 20px color: rgb(255, 0, 0) " strong 思维碰撞，催生活体蛋白质激活技术 /strong /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 王初课题组另外一个重要的研究方向是计算蛋白质组学。“蛋白质组学领域的发展，离不开质谱等仪器技术、分析方法以及计算算法的同步发展。从事质谱，特别是组学研究的人都知道，‘计算’在其中的重要作用。”通过计算的方法，可以帮助科学家进一步挖掘数据，同时还可以指导对蛋白质新靶点、新功能的发现。王初课题组通过发展计算算法，深度扫描原始质谱数据中的特征同位素分布，极大地提高了对蛋白质组中硒蛋白鉴定的灵敏度( ACS central science 2018. 4 (8), 960-970.)。通过机器学习和人工智能，他们课题组发展了基于蛋白质一级序列预测蛋白质组内高活性半胱氨酸的计算算法(Biochemistry 2018. 57 (4), 451-460.)。最近，利用理论计算指导的蛋白质三维结构设计，王初的课题组与北大化学学院的陈鹏教授课题组进行了卓有成效的合作，发展了一种可以在活体内选择性激活目标的蛋白质的化学生物学新方法，相关成果2019年5月发表于国际顶级学术期刊《Nature》杂志上。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 化学生物学除了发现新的活性位点之外，一个很重要的工作就是通过化学的方法对其功能进行调控。陈鹏课题组在通过化学方法对蛋白质功能进行调控方面做了非常出色的工作，发展了一套强大的化学生物学工具，即可以通过基因编码的方式，在活细胞中目标蛋白质的活性位点上插入某一种氨基酸，并在其侧链上加入一个“笼子”，从而使其失去活性 而通过加入小分子化学物质或者光照，使其进一步反应，将“笼子”脱掉，重新激活目标蛋白。这种 “活性脱笼”策略，可以通过对催化位点的氨基酸的化学保护和脱保护反应，实现对蛋白质活性“关-开”的调控。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 王初回忆，这次合作起源于一次研究生的中期考核。“当时我参加考核的时候，陈鹏教授的学生分享了他们在活性脱笼方面的工作，最后他提到，这个技术有一些限制，就是目前只能应用在例如赖氨酸和酪氨酸少数几种氨基酸上。而由于细胞内蛋白质的种类繁多，当蛋白质的活性中心如果没有这类氨基酸时，活性脱笼这个技术就发挥不了作用了。想要发展更为普适性的蛋白质在体调控技术，就需要发展新的非天然氨基酸插入和正交脱笼技术，而这项工作具有非常大的挑战性，还一直没有得到突破。”考核结束后，王初与陈鹏教授就该问题进行了深入的讨论，最后大家共同提出一种新的思路—— 如果不是对活性位点进行直接的脱笼，而是在其它临近的底物结合位点插入氨基酸，将其与底物之间的结合阻断，同样也能达到抑制蛋白活性的效果，而脱笼后可以将蛋白质重新激活。该 “临近脱笼”策略摆脱了活性位点必须具有特定氨基酸的限制，可以大大提高该技术的适用范围。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 蛋白质催化位点临近的结合位点繁多，将非天然氨基酸插入什么位置，可以获得最好的效果?王初课题组对目标蛋白质结构进行理论计算，模拟非天然氨基酸在不同位点插入和脱笼前后对蛋白质活性的影响，然后将通过筛选条件的位点推荐给陈鹏课题组进行实验验证。由此，两个课题组开始密切合作，将蛋白质理论计算与“非天然氨基酸脱笼”的技术相结合，成功发展了一种普适性的蛋白质功能在体激活新方法。王初表示，通过上述技术，我们就可以实现在细胞原位直接激活特定蛋白酶，从而通过蛋白质组学技术直接鉴定其下游酶切产物，对于生物学基础研究具有非常大的价值。同时，该技术也可以用来激活特定的蛋白质前药分子，具有较好的临床转化应用前景。他也表示，两个团队的合作目前还在继续合作，未来将会在该方法基础上进一步的扩展。“对于我们化学生物学家来说，更多的工作还是集中于发展技术和工具，但是我们一直希望，能够将这些工具用在解决具体的生物学或者临床医学问题上。” /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" color: rgb(255, 0, 0) font-size: 20px " strong 质谱技术是鉴定蛋白质的不二之选 /strong /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 化学生物学作为一个交叉前沿学科，其研究也离不开作为科研基础工具的分析仪器。“工欲善其事，必先利其器。”化学生物学的研究主要是和蛋白质、核酸、糖和脂类等生物分子“打交道”，高精度的分析仪器，尤其是作为生物大分子定量、定性分析不二之选的质谱仪，对于工作的开展尤为重要。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 王初提到，质谱在他的科研工作中发挥着至关重要的作用。2013年，他刚从国外回到北大开展独立研究工作的第一件事，就是拿出“青年千人”启动经费的很大一部分，购买了一台赛默飞的 a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C131081.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 0, 0) text-decoration: underline " strong span style=" color: rgb(0, 0, 0) " Q-Exactive质谱仪 /span /strong /a span style=" color: rgb(0, 0, 0) " ， /span 这对于他之后开展化学生物学相关研究非常关键。不管前面设计多少不同的探针，在最后进行蛋白质分析的时候，都需要使用质谱仪来进行。高通量、高灵敏度的质谱，对于获得高质量的数据非常重要。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/832c0deb-b73a-4b04-a647-aff0af72fd57.jpg" title=" 3.png.jpg" alt=" 3.png.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-align: justify text-indent: 2em " 王初提到，在做探针标记的时候，不仅是标记到特定的蛋白，而且是标记到具体的氨基酸位点。因此得到探针在哪个蛋白的哪个氨基酸上发生反应的信息，可以更好地指导下游药物的设计或者蛋白质功能的研究。对此，课题组发展新方法，利用质谱实现位点特异性的化学蛋白质组学的检测。另外，他也提到，Q-Exactive这类基于Orbitrap的质谱仪除了可以进行高灵敏度的定性分析之外，还可以从事高精度的定量分析。通过在探针上引入同位素标记，最终在质谱上定量分析目标蛋白上的同位素标记的多少，可以反映探针与蛋白的相互作用强弱。“举例来说，药物分子在生命体中可能会与很多蛋白相互作用，但真正起作用的是药物分子浓度较低的时候，与它作用力最强的几个蛋白。将这些结合力强的蛋白通过探针捕捉出来，对药物研发非常重要。而这就需要质谱具有很精准的定量分析能力。” /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 而在最初购置了那台Q-Exactive质谱之后，王初课题组与合成与功能生物分子中的其他课题组开展了密切的合作，取得了多项重要的成果。为了满足更进一步的科研需求，在王初的提议下，合成与功能生物分子中心最近又陆续添置了两台赛默飞 span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 的 /span a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/sh100244/C219934.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 0, 0) text-decoration: underline " strong span style=" color: rgb(0, 0, 0) " Q Exactive Plus高分辨质谱 /span /strong /a span style=" color: rgb(0, 0, 0) text-decoration: underline " 。 /span span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 这些新购置的质谱仪器，对于整个中心研究团队科研研究的推动非常重要。“仪器对于 /span 科研非常关键，某种程度上来说，它的好坏决定了你的科研质量。”但是王初同时也表示，虽然仪器是必需的，但更重要的还是要提出好的科研想法和思路，最大地发挥这些仪器的功效。同时，他还提到，国外很多科学家与质谱仪器厂商共同合作开发新的方法或技术，这些对于质谱厂商和科学家保持科学和技术的前沿性都是非常有必要的，而相比而言，国内这类的合作研发工作开展的相对来说比较少。希望未来能够看到国内的科学家将在实际应用积累的一些技术、经验以及开发的算法等能够更多地反馈给仪器厂商，共同完成技术的革新。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" color: rgb(255, 0, 0) font-size: 20px " strong 交叉学科构建科研桥梁 /strong /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 交叉学科，作为连接两个不同领域的桥梁，对于现代科研工作至关重要。随着传统学科研究的不断深入，交叉学科将不同学科的成果跨界连接在一起，为科研创造出源源不断的新的思路和想法。而化学生物学，作为衔接化学和生物医学的新兴交叉学科，日益彰显生机勃勃的活力。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 王初提到，他本科在中国科学技术大学学习生物学，在美国华盛顿大学攻读博士期间，师从美国科学院院士David Baker教授做计算机辅助蛋白质结构模拟与设计方面的研究，之后博士后期间又改换研究方向，在美国斯特里普斯研究所跟随美国科学院院士Benjamin Cravatt教授从事化学生物学研究，于2013年底回到北京大学化学学院开展独立研究工作，成为北大化学学院少有的几位非化学出身的课题组长。他在整个“跨界交叉”的科研经历中，接触和学习到了很多不同领域的知识，特别是此前在生物学领域的研究经验，让他更关注一些很重要的生物学问题。“我觉得，化学生物学发展的是化学工具和方法，但最终还是要真正落脚到解决具体的生物学、医药或者临床问题，这个领域需要不同背景、具有交叉思维的科学家的积极参与。” /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " “从化学生物学作为一个整体学科来说，目前国家对于这样的交叉学科的支持也十分明显。”王初表示。例如，2018年自然科学基金委在化学部里面做了一个试点改革，把很多原有的基金申请代码做了调整，将无机、有机、分析、物化、高分子等传统方向重新调整为催化与表界面化学、化学测量学、材料化学与能源化学等科学问题为导向分类。在这次调整中，化学生物学获得了一个独立的二级学科申请代码，其下又拓展划分了蛋白质化学生物学、核酸化学生物学、金属化学生物学、药物化学生物学等多个分支，充分体现了国家对化学和生物的交叉领域开展研究的强有力支持。 /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong 后记 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 在采访的最后，王初提到，他对于跨学科的合作研究非常感兴趣，不同学科背景在化学生物学的交叉大背景下，会不断创造新的科研火花。他也非常欢迎具有不同学科背景的学生和博士后加入课题组，充分释放自己的能力和思想， 一起发展新的化学方法和工具，探索生命的奥秘。前文中提到的黄芩苷的相关研究，就是毕业于上海中医药大学的戴建业博士在课题组做博士后时主导完成的工作，他本人现在已经在兰州大学药学院开展独立研究工作了。此外，王初课题组每周组会都有一起阅读和讨论前沿文献的习惯，三年前，他的博士研究生王浩博突发奇想，提议把大家选取和整理的前沿文献通过微信公众号“王初课题组” strong (见下图二维码) /strong 分享出去，通过这种“文献快闪”的方式，让更多的人关注化学生物学的最新研究成果。在课题组所有成员不断坚持和努力之下，目前该公众号成为国内化学生物学领域的热门账号之一，截止到2019年年底，总关注数已经超过12000人，欢迎大家持续的关注和支持。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/87a40cf5-bb6e-4b1d-82f0-dd3691ee9707.jpg" title=" 4.png" alt=" 4.png" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 扫码关注“王初课题组” /strong /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 正如文中所说，技术的不断发展，为科研提供了新的“武器” span style=" text-indent: 2em " 。 /span 在后基因时代，多组学研究成为现代生命科学研究的最前沿。 span style=" text-indent: 2em " 新的质谱技术不断涌现，加快了多组学研究的发展。& nbsp /span span style=" text-indent: 2em " 更多 /span strong style=" text-indent: 2em " 多组学解决方案 /strong span style=" text-indent: 2em " ：请点击图片查看。 /span /p p style=" text-align: center" a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/sh100244/s924848.htm" target=" _blank" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 233px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/e06c2730-f22e-4622-80ad-a843d5a335fa.jpg" title=" 5.png" alt=" 5.png" width=" 400" height=" 233" border=" 0" vspace=" 0" / /a /p p br/ /p

在近代生物学发展史上，有一个问题逐渐占据了科学家的视野：蛋白质、核酸、多糖… … 这些构成生命活动基础的大分子的微观结构是什么样的？解决这个问题满足的不仅仅是科学家们的好奇心，更重要的是对结构的认知将极大地帮助人类在分子层面理解复杂的生命活动，并据此设计出阻止或加强其作用的药物，特别是基于蛋白质结构的药物研发。我们现在知道目前解析生物大分子结构的主流实验手段是X射线晶体学和冷冻电镜，而AI又与这两种手段相辅相成。但在生物学发展早期，我们只能推测大分子的成分，窥见它们精巧而严密的运作机制，但对它们的结构细节一无所知，而结构的未知又影响了人类理解它们的功能。诺贝尔奖获得者费曼曾经半开玩笑地说：“许多基础的生物问题是非常容易解决的：只要能看到它们就行！"然而观测这些微小的分子以及它们那更加微小和复杂的空间结构谈何容易，实际上，这个问题直到今天也不能称得上完全解决。但几十年来，科学家们为此付出了巨大的努力并取得了可观的成果，并最终形成了结构生物学。这是一个漫长而艰难的故事，但也不乏有趣之处。01X射线晶体学的得与失1895年，威廉伦琴发现了X射线。这种具有穿透性的电磁波是19世纪最重要的物理学发现之一，对许多领域和学科都产生了深远的影响，不过这不是本文要讨论的重点，我们直接来看X射线是如何影响甚至可以说奠定了近代结构生物学的发展的。简单来说，人们发现极细的X射线流在穿过化合物晶体后，会在照相板呈现出一些具有规律的衍射图案，这些衍射图案是否有可能反映出了晶体的原子排列规律呢？经过几十年的探索，科学家们终于找到了通过数学规则，利用X射线衍射图案来推算晶体中原子排列的方法。这一技术，使得制备晶体→X射线衍射→推算结构的解析大分子结构的方式成为可能，X射线晶体学的时代开启了。X射线解析蛋白质结构的首例突破是在1960年。约翰与他的同事马克斯佩鲁兹””解析了第一个蛋白质——抹香鲸肌红蛋白的三维结构。与今天科学家们能解析的蛋白结构相比，肌红蛋白的结构较为简单，仅由8条α螺旋组成，且没有4级结构。但在当时，所有人都知道，一个新的时代开启了。蛋白质的折叠方式与空间构象对于蛋白质的功能有着决定性的作用。掌握了蛋白的三维结构，就掌握了开启和关闭蛋白功能的钥匙。在接下来的几十年里，一个又一个重要的蛋白质结构被解析出来，核糖体、肌动蛋白、ATP酶、氧化还原酶、RNA聚合酶… … 结构生物学的黄金时期一直持续到本世纪，以至于2006年诺贝尔化学奖获得者罗杰科恩伯格后来说“2007年至2019年，当我为Nature杂志工作时，我们经常对结构生物学论文的数量开玩笑：似乎每周都有一个新的、重要的蛋白质结构发表。”X射线晶体学并非完美，它的缺陷在这个过程中暴露出来。首先，想要获得一个相对完整的模型，就要获得分辨率足够高的能够得到清晰的X射线“照片”的蛋白晶体，另外，一次X射线穿透获得的是晶体某一角度的衍射图案，这对于计算蛋白质三维结构是远远不够的，需要多角度的几百张甚至成千上万张照片才能构建出一个蛋白质三维结构的雏形，并通过建模和修正得到最终的成品“模型”。这期间的工作量特别是数学部分无疑是巨大的，即使有计算机和更好的X射线设备的辅助计算，X射线晶体学仍然很耗时。还有一个问题是，一些类型的蛋白质被证明很难或不可能结晶，如何进行对于此类蛋白三维结构的探索呢？02冷冻电镜与传统的常温电镜不同，冷冻电镜通过将样品冷冻在一层非晶体的玻璃态冰膜中然后在低温下用电镜成像观察，从而得到结构。这个方法无疑不再对蛋白晶体有硬性要求，可以最大可能的观察到生物大分子的自然状态下。并且，由于样品制备时使用了瞬时冷冻的技术，与X射线晶体衍射学相比，冷冻电镜技术可以瞬时的捕捉到同个样品在不同状态下的近生理构象。不过，虽然这项技术发明得很早，但起初只能对于病毒等较大或具有高度对称性的结构进行解析。因为电镜用于轰击样品的电子具有高能量，无论是生物样品本身还是仪器都难以承受长时间的轰击，而有限次数的曝光得到的图像偏差过大，难以用于精细的结构生物学领域。为了降低电子对样品的损伤，冷冻电镜在低温下，采用了低剂量的图像采集方案，增强图像的信噪比。而近年来，直接电子检测相机的研发和飞速发展的图像处理算法的应用，使得冷冻电镜的分辨率得到了飞跃式的提升，这次分辨率的极大提升，被称为“第一次分辨率革命”。另一方面，随着电镜本身的技术发展，目前已经可以利用冷冻电镜技术观察到原子分辨率的信息，在300 kV冷冻电镜的帮助下，水分子的氢氧原子清晰可见，这就是近年来震撼了冷冻电镜学界的“第二次分辨率革命”。另外，200 kV的冷冻电镜也已经以高分辨解析、多功能用途而广泛安装使用。近年来，冷冻电镜逐渐成为了生物大分子解析的主流手段之一，但是一台冷冻电镜高昂的价格令许多科研工作者或药企研发人员望而却步。而为了使更多的科研工作者能在分辨率革命中受利，在诺贝尔化学奖得主Richard Henderson的呼吁和推动之下，更为“接地气”的100 kV冷冻电镜也被研发出来。100 kV的电镜打破了对于高电压的需求，在电镜整体设计上和相机选择上都以最高性价比的方案进行整合，相比之下较低的价格，使得100 kV的冷冻电镜成为了一台人人都有机会使用的冷冻电镜。03AI的未来？我们在文章最初说过，研究蛋白质和其他大分子的结构是为了了解其功能，并最终转化为改善人类健康和生命质量的应用成果。为了这个目标，科学家们利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术解析了一个又一个蛋白的结构，而在无数量变的积累背后，是否有一项科学家们追求的质变存在呢？1965年，《生物化学年鉴》说"人们甚至希望有一天可以完全从氨基酸序列中推断出构象。"1972年，克里斯蒂安安芬森在诺贝尔奖演讲中说："我们对序列和三维结构之间相关性的大量数据积累，加上多肽链折叠的能量学理论的日益成熟，预测蛋白质构象的想法越来越现实了。"利用氨基酸序列直接预测蛋白空间构象是结构生物学家和分子生物学家们很早就有的渴望。虽然在过去的几十年中，科学家们一直致力于在实验室中用X射线或者冷冻电镜解析蛋白质结构，但科学家们并不会把“将一切存在的蛋白质用X-射线或者电子束打一遍”作为最终目标，掌握规律才是人类在科学探索中真正想要追求的东西。而AI的发展引出了这一目标成为现实的可能。经过深度学习的算法已经可以做到通过与已知结构的蛋白序列进行比较来预测目的蛋白的结构。尽管要真正解析未知蛋白的结构还言之过早，但诸如AlphaFold2等软件也的确为结构生物学的研究带来了不少便利。通过AlphaFold2等计算模拟的方法，与以冷冻电镜为代表的实验结构生物学相结合，两者相辅相成，为生物大分子结构解析，特别是药物发现领域带来了巨大的助力。04Structure Based Drug Design (SBDD)随着结构生物学的发展，人们对药物靶标蛋白的结构和功能的关系的了解越来越深入，逐渐形成了基于结构的药物设计策略，Structure Based Drug Design (SBDD)。1995年，罗氏基于SBDD开发了蛋白酶抑制剂Saquinavir，其抗逆转录病毒的功效可以配合其他药物治疗艾滋病。也使得基于结构的药物设计策略的潜力得到证实。之后，各类抗病毒、抗肿瘤、炎症等新药研发成功。时至今日，对靶标结构的认知和功能的预测几乎成为创新药开发中绕不过去的一环，以近年大热的难成药靶点KRAS为例，安进公司通过KRAS G12C突变体的GTP结合位点“口袋”研发出了首款抑制剂，而这只是结构生物学在药物开发中发挥基础作用的无数案例的一个。有越来越多的例子证明，结构中一些亚纳米级别的微小细节变化，为最终的药物成功与否带来了决定性的影响。相信在未来，技术的发展将带人类进一步认知生命活动中那微小而浩瀚，精密且复杂的分子世界，并为药物研发和疾病攻克带来更多启发和帮助。

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