新的X射线技术捕捉运动中的蛋白质

在过去的几十年里，科学家们在理解蛋白质的结构方面取得了巨大的进步。冷冻电子显微镜和X射线晶体学等成像技术帮助研究人员以前所未有的细节可视化蛋白质的形状；然而，这些工具主要产生分子的静态快照。为了真正了解蛋白质的功能，研究人员需要看到它们的作用

芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员多年来一直在研究这个问题；现在，他们与哈佛大学的合作伙伴一起完善了一种新技术，用于制作运动中蛋白质的实验电影

在Cell发表的一篇论文中，他们在钾离子通道上展示了一种称为电场刺激时间分辨X射线晶体学（EFX）的方法，钾离子通道是细胞膜上的一个孔，调节钾在细胞内外的运动

由此产生的视频证实了过去25年来使用更艰苦的生化方法进行的其他研究的结果，表明EFX可以成为快速可视化和理解蛋白质动力学的强大新工具

这项新研究的资深作者之一Rama Ranganathan博士说：“根本问题是，我们从来没有简单的实验方法来观察蛋白质的运动，因为蛋白质非常小，而且它们运动得非常快。”

“但结构生物学的未来将是研究分子的力学或动力学。所以，我认为我们在这里所做的是提供一种可以让我们到达那里的技术。”

神奇的实验

Ranganathan是芝加哥大学生物化学与分子生物学系和普利兹克分子工程学院的Joseph Regenstein教授，他在德克萨斯大学西南医学中心开始了这项工作。2016年，他的团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，首次描述了他们如何使用电场使蛋白质移动，同时使用时间分辨晶体学捕获图像

这种方法采用感兴趣蛋白质的结晶版本，并将其放置在X射线束的路径上。当X射线照射到晶体上时，它们会向许多方向散射，产生可以分析的图案，以产生完整的三维形状

这项技术的“时间分辨”部分意味着他们在蛋白质发生结构变化时拍摄连续的图像，捕捉它的运动

“这是我们一直在等待的神奇实验，”Ranganathan说，但这个过程既困难又耗时

他于2017年搬到芝加哥大学，主要是为了有机会指导BioCARS设施，该设施使用阿贡国家实验室的先进光子源提供最先进的X射线技术

他的团队继续研究蛋白质动力学，除其他外，还与新研究的另一位资深作者Doeke Hekstra博士合作，他曾是Ranganathan实验室的博士后，现在是哈佛大学分子和细胞生物学以及应用物理学的副教授

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当他们完善EFX技术时，他们专注于研究钾离子通道，这是一种参与许多生物过程的基本细胞结构。重要的是，离子通道的活动是通过施加电场使离子在孔中来回移动来启动的。这样，研究小组就可以通过实验操纵动作来记录他们想要看到的活动

当他们追踪流经通道的离子时，他们还看到了通道工作的独特机械特征，这与其他研究人员多年来收集的不同观测结果相匹配

不同之处在于，这些科学家不得不使用耗时、劳动密集型的方法，如诱导基因突变来操纵通道，而EFX能够在一个整洁的视频中捕捉离子通道的活动

Ranganathan说：“在几纳秒的时间尺度内，我们能够看到离子流过这个通道的孔隙。”。“所有这些25年的知识，我们可以在一个通道运行过程中的动力学中看到它。”

我们的目标是将这些动态观测与计算模型相结合，以增强蛋白质工程和设计。Ranganathan已经通过他的生物技术公司Evozyne深入参与了使用人工智能设计和构建新的定制蛋白质

其平台模拟并学习数百万年进化的模型，为特定目的创造新的蛋白质，如治疗疾病的抗体或捕获碳以最大限度地减少工业排放。蛋白质在实际或模拟中的详细视频图像可以被纳入这些模型中，以改进和改进这些设计

Ranganathan说：“我们可以在计算预测和实验之间创造一个良性循环，这样我们就可以改进我们的模拟，使其真正看起来像实验。”

“一旦我们对人们已经解决结构的所有分子进行了模拟，我们就可以建立一个动力学数据库，利用这个数据库，我们可以真正对所有蛋白质的作用进行计算预测。”