蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析新技術(shù)創(chuàng)測定速度紀錄

據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)7月20日報道，隸屬于美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家開發(fā)出一種利用小角度X射線散射技術(shù)測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的新方法，大大提高了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究分析的效率，使過去需要幾年時間完成的工作僅需要幾天即可完成，這將極大地促進結(jié)構(gòu)基因組學的研究進程。 　　結(jié)構(gòu)基因組學是一門研究生物中所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的科學。通過對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，可大致了解蛋白質(zhì)的功能。結(jié)構(gòu)基因組學重視快速、大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定，而快速結(jié)構(gòu)測定技術(shù)正是該學科研究面臨的一個瓶頸問題。目前通常使用的兩種測定技術(shù)，X射線晶體衍射和核磁共振質(zhì)譜技術(shù)，雖然精確，但速度很慢，測定一個基因的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，動輒就需要幾年的時間。隨著新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)復合物越來越多，目前的分析速度遠遠不能滿足研究的需要。
　　為解決這個瓶頸問題，勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們借助了該實驗室的先進光源（ALS）。他們運用一種稱為小角度X射線散射（SAXS）的技術(shù)，對處于自然狀態(tài)下（如在溶液之中）的蛋白質(zhì)進行成像，其分辨率大約為10埃米（1埃米等于1/10納米），足夠用來測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。ASL產(chǎn)生的強光可以使實驗所需材料減至最少，這使得該技術(shù)可以用于幾乎所有生物分子的研究。
　　為了最大限度提高測定速度，研究小組安裝了一個自動裝置，可自動使用移液器吸取蛋白質(zhì)樣品到指定位置，以便利用X射線散射進行分析研究。他們還使用美國能源部國家能源研究科學計算機中心（NERSC）的超級計算資源進行數(shù)據(jù)分析。利用這一系統(tǒng)，研究小組取得了驚人的研究效率，在1個月內(nèi)分析測定了火球菌的40組蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果使用X射線晶體衍射技術(shù)，這可能需要花幾年時間。同時，他們所獲取的信息十分全面，涵蓋了溶液中大部分蛋白質(zhì)樣本的結(jié)構(gòu)信息。相比于在結(jié)構(gòu)基因組學啟動計劃中使用核磁共振和晶體衍射技術(shù)僅能獲取15％的信息量來說，這是十分巨大的進步。
　　高通量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析有助于加快生物燃料的研究步伐，幫助解讀極端微生物在惡劣環(huán)境中的繁榮之謎，更好地理解蛋白質(zhì)的功能。研究小組之所以首先選擇火球菌進行實驗分析，就是因為它可用來生產(chǎn)清潔能源——氫。同時，在許多工業(yè)流程中都會出現(xiàn)高酸高熱的環(huán)境狀態(tài)，而這正是火球菌喜歡的生存環(huán)境。
　　但這種技術(shù)也有不足之處，追求速度會造成一種失衡，使成像質(zhì)量相應打了折扣。與X射線晶體衍射成像的超高分辨率相比，小角度X射線散射成像的分辨率比較低，大約是10埃米。但這并不妨礙該技術(shù)的應用前景，因為并不是所有的研究都需要超高精度成像。對于結(jié)構(gòu)基因組學研究來說，有時只要知道一種蛋白質(zhì)與另一種蛋白質(zhì)具有相似的結(jié)構(gòu)，就可以了解其功能。而且，小角度X射線散射技術(shù)能夠提供溶液中蛋白質(zhì)形狀、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造變化等方面的精確信息，足以彌補其在成像精度方面的不足。
　　該研究成果刊登在7月20日《自然》雜志網(wǎng)絡版上，美國斯克利普斯研究所和喬治亞州大學的科學家亦參與了該項研究。