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Nat Meth:揭示“分子機器”的秘密

日期:2014-12-24 08:53:28

 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家Tom Terwilliger說:“我們身體中的每個細胞和每個細菌、每個病毒中都有微小而復雜的蛋白質分子,它們合成化學物質、復制遺傳物質,彼此打開和關閉,并將化學物質運輸通過細胞膜。了解所有這些分子機器如何運作,是開發新療法用以治療遺傳性疾病、以及開發新方法來制造有用材料的關鍵。”

 

為了了解一種分子機器是如何運作的,你必須能夠看到它們是如何組合在一起的,所有的部分如何組裝在一起。這就是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究所在。這些分子機器很小:一百萬個分子機器并排放置,只占用小于一英寸的空間。然而,研究人員可以用X射線、晶體和計算機看到它們。研究人員產生了一種蛋白質機器的數十億個拷貝,將它們溶于水,并培養蛋白質晶體,就像培養糖晶體那樣,只是這種分子機器要大于一個糖分子。

 

然后,他們用一束X射線照射晶體,并測量所產生的數千個衍射X射線點的亮度。然后,研究人員使用洛斯阿拉莫斯國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)、杜克大學和劍橋大學科學家開發的強大Phenix軟件,來分析衍射斑點,并產生了一個單一蛋白質機器的三維圖片。這副圖片可確切地告訴研究人員蛋白質機器是如何組合在一起的。

 

最近,洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學家與LBNL和劍橋大學的同事合作,使得可視化一種分子機器變得更加容易。在1222日《Nature Methods》發表的一篇報道中,洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學家及其研究小組表明,他們可以利用以前無法進行分析的X射線衍射斑點,獲得分子機器的三維圖像。

 

一些分子機器包含一些金屬原子或其他原子,這些原子衍射X射線與碳、氧、氮和氫原子(構成了蛋白質中大多數的原子)不同。Phenix軟件首先發現了這些金屬原子,然后利用它們的位置去尋找其他原子。然而,對于大多數的分子機器來說,金屬原子必須被人為地納入分子機器以使其都能夠運作。

 

洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學家的這一最新進展表明,這種強大的統計方法可以應用于尋找金屬原子,即使它們與其他原子散射X射線非常地不同。甚至像硫這樣的金屬原子(是幾乎所有蛋白質的自然部分)都可以被發現,并被用來產生一種蛋白質的三維圖像。既然有可能看到一種蛋白質的三維圖像,而無需人為地將金屬原子納入它們,那么我們應該能研究更多的分子機器。

 

最近在三維細節上所觀察到的分子機器,包括一個“巨大”的分子機器稱為Cascade,在今年夏天已經發表在《Science》雜志。Cascade機器存在于細菌中,可識別來自于感染細菌的病毒的DNACascade機器是由11個蛋白質和一個RNA分子構成,看起來就像一個海馬,RNA分子蜿蜒穿過海馬的整個“身體”。如果細菌細胞中的一段外源DNA,與RNA分子的一部分互補,那么另一個專門的機器就可以找到并切割這段外源DNA,使細菌免于感染。

 

Phenix軟件的開發者——洛斯阿拉莫斯國家實驗室和劍橋大學科學家,屬于首次可視化這種蛋白機器的一個研究小組。Phenix軟件已被用來確定超過15,000種不同蛋白質機器的三維形狀,這個軟件已被超過5000家科學刊物引用。

 


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