电子显微镜发展史的里程碑

诸平

据美国化学会《化学与工程新闻》（C&NS）周刊网站2014年3月28日报道，科学家已经研究出新型电子显微镜，该显微镜能够观察到接近原子水平的线粒体核糖体（mitochondrial ribosome）的结构（见下图），这种显微镜发展史上具有里程碑意义的研究成果，对于结构生物学研究而言，无疑在技术支撑方面带来了革命性的新变化。下图是酵母线粒体核糖体的结构图示，与细菌核糖体(蓝色)和哺乳动物线粒体核糖体(红色)有类似的一些特性，但是有些特征只有在酵母中存在(黄色)。

Fig. 1 The structure of the yeast mitochrondrial ribosome (shown) shares some features with the bacterial ribosome (blue) and with mammalian mitochondrial ribosomes (red). Some features are present only in yeast (yellow).Credit: Alan Brown

低温电子显微镜(cryo-EM)虽然是结构生物学研究中的重要工具，但其潜力还未充分发挥出来。近期的技术进步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振这一领域。在单粒子cryo-EM实验中，大分子集合体被冷冻在一层薄薄的冰中，并用电子显微镜成像。单个集合体的数千至数百万幅图像必须经过计算机比对和合并，以获得一个三维结构。

与X射线晶体衍射相比，cryo-EM的一个明显优势就是不需要结晶，这大大拓宽了其研究领域，使生物大分子及其复合物的构象研究成为可能。运用这种方法，一些生物样品如病毒和大肠杆菌70S核糖体的三维重构图已经得到，但分辨率不是很高。

而最近英国分子生物学MRC实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的科学家，他们使用单个粒子降临的cryo-EM研究酵母线粒体核糖体大亚单元的结构，0.32 nm分辨率能够使其在接近原子水平给出一个近乎完整的三维构型图像，其包括了39种蛋白质，其中有13中蛋白质是线粒体独有的，而且还有扩张的线粒体多糖体RNA(mitoribosomal RNA)片段。得到如此庞大的(3 MD即3-megadalton)生物机器近原子水平的图像，既不需要蛋白质结晶，也不需要广泛净化，所以这种分析方法被认为在电子显微镜发展史上具有里程碑意义。

这种核糖体在真核线粒体（eukaryotic mitochondria）中发现。它不同于酵母细胞质中的核糖体和其他真核生物细胞中的核糖体，也不同于细菌核糖体。由2009年诺贝尔化学奖得主万卡特拉曼•莱马克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、托马斯•施泰茨(Thomas A. Steitz)和阿达•尤纳斯(Ada E. Yonath)曾经得到了核糖体三维X-射线晶体结构。新的分辨率在0.32nm的线粒体核糖体结构是由万卡特拉曼•莱马克里斯南等人合作完成。显微镜发展史上具有里程碑意义的更多信息请浏览：http://www.biodiscover.com/index.php?r=news/view&id=109096