蛋白質結構分析新技術創測定速度紀錄

據美國物理學家組織網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出一種利用小角度X射線散射技術測定蛋白質結構的新方法，大大提高了蛋白質結構研究分析的效率，使過去需要幾年時間完成的工作僅需要幾天即可完成，這將極大地促進結構基因組學的研究進程。 　　結構基因組學是一門研究生物中所有蛋白質結構的科學。通過對蛋白質結構的分析，可大致了解蛋白質的功能。結構基因組學重視快速、大量的蛋白質結構測定，而快速結構測定技術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，X射線晶體衍射和核磁共振質譜技術，雖然精確，但速度很慢，測定一個基因的蛋白質結構，動輒就需要幾年的時間。隨著新發現的蛋白質及蛋白質復合物越來越多，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，對處于自然狀態下（如在溶液之中）的蛋白質進行成像，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的三維結構。ASL產生的強光可以使實驗所需材料減至最少，這使得該技術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據分析。利用這一系統，研究小組取得了驚人的研究效率，在1個月內分析測定了火球菌的40組蛋白質結構。如果使用X射線晶體衍射技術，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樣本的結構信息。相比于在結構基因組學啟動計劃中使用核磁共振和晶體衍射技術僅能獲取15％的信息量來說，這是十分巨大的進步。
　　高通量蛋白質結構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境中的繁榮之謎，更好地理解蛋白質的功能。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清潔能源——氫。同時，在許多工業流程中都會出現高酸高熱的環境狀態，而這正是火球菌喜歡的生存環境。
　　但這種技術也有不足之處，追求速度會造成一種失衡，使成像質量相應打了折扣。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。對于結構基因組學研究來說，有時只要知道一種蛋白質與另一種蛋白質具有相似的結構，就可以了解其功能。而且，小角度X射線散射技術能夠提供溶液中蛋白質形狀、結構及構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。