冷冻电镜的跨界大咖秀雷建林与他的科学魔法(3)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】这套系统不仅数据获取效率高,还具有走位准确等技术创新点——既适合于所有类型的电镜载网,也适用于在孔洞中位置非常不确定的样品如病毒、微丝、
这套系统不仅数据获取效率高,还具有走位准确等技术创新点——既适合于所有类型的电镜载网,也适用于在孔洞中位置非常不确定的样品如病毒、微丝、微管等。
此外,这套系统使用灵活,设置简单。“不光支持全自动采集,也支持半自动收集,后者极大方便了用户快速检查样品;简化并自动精确设置低剂量(low dose)成像条件;可选择用物镜(objective lens)或样品台(stage)设置离焦量(defocus),后者特别适用于球差电镜,同时还巧妙地解决了既要尽量保持样品台Z轴不动以减少Z方向motion,又要利用样品台Z轴来设置defocus范围之间的矛盾;数据采集过程中能自动校正能量过滤系统的零峰。”提起系统功能,雷建林滔滔不绝。
值得关注的是,这套系统支持倾转样品的自动化数据采集。核孔复合物(Nuclear Pore Complex,NPC)被认为是结构生物学的圣杯之一。施一公团队最新用单颗粒技术发表的高分辨率的NPC结构,就是用这套系统的倾转功能采集的数据。此外,它还支持相位板数据的自动化采集。王宏伟团队发表了分子量52千道尔顿的链霉亲和素蛋白的3.2埃分辨率冷冻电镜单颗粒三维重构,创造了利用冷冻电镜单颗粒方法解析至近原子分辨率生物大分子分子量最小的纪录,就是用这套系统的该功能采集的。
在自动化采集技术衔接空白期的那段时间里,只能使用人工采集数据,需要三班倒“蹲守”在操作台边,而且操作繁琐、效率低下,操作人员也异常疲倦。而通过这套系统的应用,不仅大幅提高了电镜的有效机时和单位机时的效率,同时还简化了数据收集门槛,“用户经过相关的培训后,不需要掌握更多的技术也可以自己独立完成相应的应用。用户不再需要三班倒,晚上可以睡觉,白天可以继续做其他的工作”。
单台冷冻电镜设备的价格都是数千万元级别的。如此昂贵的设备,效率的提升等同于发挥了社会和经济效益。雷建林介绍:“如果工作效率提高一倍,等于每台高端电镜每天光折旧费就可节省上万元,这还不包括效率提升在科研方面创造的社会效益。”
“接下来最重要的还是继续完善各种自动化技术。”雷建林对未来有着美好的愿景,他预期随着冷冻电镜技术的再发展和突破,冷冻电镜的发展方向应该是直接做原位研究。虽然实现起来困难重重,但是技术一旦突破,将为科研工作带来更多利好。
高光频现的平台上都诞生了什么?
2017年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔化学奖颁给对冷冻电镜技术发展做出原创性贡献的3位学者,其中包括雷建林的合作导师Joachim Frank。此举被业界戏称为“一个发给了物理学家的诺贝尔化学奖,以奖励他们帮助了生物学家”,传为佳话。从这项“跨界”大奖上,亦足见冷冻电镜技术在多学科应用中的重要地位。
其实,在冷冻电镜研究领域,清华大学根基深厚。这与多位院士的推动分不开。在国家蛋白质科学研究基础设施立项过程中,施一公院士联合王志新、隋森芳两位院士在清华大学基地计划的约10个平台中选定已经起步的冷冻电镜平台作为重点建设方向。2011年,王宏伟教授入职清华大学领衔清华大学基地建设。
伴随着冷冻电镜技术的异军突起,清华大学冷冻电镜平台高光频现,连续多年诞生突破性重大科研进展:
在2019年度中国生命科学十大进展中,有两大进展离不开这个平台。
其一是“植物抗病小体的结构与功能研究”,由清华大学柴继杰组、中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民组和清华大学王宏伟组合作完成,解析了抗病蛋白ZAR1多个状态复合物三维结构。
其二是“破解硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能之谜”。同时还入选了该年度的中国科学十大进展。中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云组在国际上首次用X射线晶体学解析了硅藻捕光天线膜蛋白(FCP) 1.8埃的高分辨率结构,并进一步与清华大学隋森芳组合作用冷冻电镜解析了硅藻光系统II和FCP超级复合物3.0埃的结构。
此前,施一公组在“揭示RNA剪接的关键分子机制”等方面的工作,入选2016年度中国科学十大进展,他本人获得2017年未来科学大奖生命科学奖,以表彰他在解析真核信使RNA剪接体结构和揭示其机理的重大贡献;颜宁组完成的“肌肉兴奋-收缩偶联的分子机理探索”,入选2016年度中国高等学校十大科技进展;杨茂君组在“线粒体呼吸链超级复合物的结构与功能”的工作,入选2016年度中国生命科学十大进展……
文章来源:《清华大学学报》 网址: http://www.qhdxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0619/1426.html
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