2020年伊始,一场突如其来的新冠肺炎疫情席卷全国,后蔓延至全球。来势汹汹的新型病毒并没有猖狂太久,很快,科研人员就发现了它的真面目。

这是一种新型的冠状病毒(SARS-CoV-2),有四种主要的结构蛋白:刺突蛋白(S蛋白),核衣壳蛋白(N蛋白),膜蛋白(M蛋白),包膜蛋白(E蛋白)。其中,S蛋白和N蛋白是新冠免疫检测试剂盒关键原材料,对新冠病毒的诊断和排查具有重要价值。依据这一检测成果,科研人员短短数天就研究出可检测病毒的核酸试剂,快速打响了抗击疫情的“第一枪”!

新型冠状病毒3CL水解酶晶体结构

我们完全可以说,在抗击新冠疫情的这场全球狙击战中,蛋白质的检测和试验,当记首功。

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生命科学研究离不开蛋白质观测

其实不管是新冠病毒,还是其他疾病,通过对蛋白质的观测,都能获得答案,生命科学的研究离不开蛋白质观测。

这是因为,蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分,机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与,了解了蛋白质,在某种程度来说,就是了解了人类自己。

通过对“静止”的蛋白质进行观察,很多“疑难杂症”都能浮出水面。

比如生鸡蛋放久了不易坏,因为鸡蛋清的原因,鸡蛋清内的溶菌酶破坏了细菌细胞壁,杀死了细菌,研究其内部的分子结构,可以开发新的杀菌特效药。

以癌症为例,通过配备针对“乳腺癌”的蛋白质溶液,在太空中形成了排列整齐、易于观测的结晶。

当结晶回到地面时,通过X射线结晶方式,能够更加清晰的观测到“乳腺癌”蛋白质的“真容”,使用高通量的结晶管道来帮助说明人类蛋白质组的未知部分,从而又能帮助理解癌症的产生、发展及治疗。

如果对沙眼病毒、痢疾蛋白的研究,对今后开发治疗沙眼病、痢疾病的药物也同样很有帮助。

对于新冠病毒,它能快速传播的原理是,新冠病毒的RNA基因组不到30000个碱基,编码构成该病毒的29种蛋白质,这些生物大分子可以保护病原体,帮助其附着在宿主细胞上并使其复制。只有揭示这类蛋白质的结构,才能开发出可以破坏蛋白质功能的小分子,研究出抗体和疫苗。

通俗来讲,蛋白质观测,是科研人员研究疾病与治疗方案的桥梁!

各式各样的蛋白质晶体

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蛋白质快速低成本结晶仍是难题

为了能够更好地观测蛋白质结构,科学家想了许多办法:比如通过低温,让蛋白质的运动速度“慢下来”;或者通过结晶的方式,让蛋白质溶液“静止”,形成蛋白质晶体。如此一来,便能够通过对静止的“晶体”进行观测,进而了解蛋白质的内部结构,实验证明,晶体是目前是最容易观测的材料。

蛋白质分子在晶体内稳定有序的排列

然而,晶体是高度规则的,每个晶格里要是一样的东西,每个原子要求在相对同样的位置。蛋白质是大分子,有成千上万上的原子跑来跑去, 它会一直高速运动,所以要得到一个规则的晶体是很难的。

可是蛋白质又小到不能从显微镜下直接观察,你还就必须得获得它们的晶体,用X-射线去探索它们的结构,“结晶”就成了最困难的工作,不仅耗时耗钱,而且成功率低。

于是,2011年,神州八号飞船带着17项生命科学实验的“黑匣子”冲入太空,其中就有一项是蛋白质结晶。当中科院生物物理研究所实验室的科研人员打开“黑匣子”时,蛋白质结晶实验品露出了“真容”。在外太空后结晶后,蛋白质形成晶体,犹如钻石,晶体上还折射出了蓝、黄颜色的光芒。

神八带回来的蛋白质晶体

而此前,日本科学家为了解决蛋白质结晶的难题,也曾经把蛋白质送到国际空间站上,结果有11种形成了形状完整的蛋白质单晶体,其中包括理化研究所和大阪大学提供的嗜热菌蛋白质。

这是由于在地球上进行结晶时,受到重力及其诱导的浮力对流的影响,蛋白质晶体下沉,出来的效果类似煮饺子没煮好,会黏在一起。而太空失重状态下,溶液中长出的晶体悬浮在溶液中不会下沉,不会“黏”到一起,内部分子结构排列更整齐,因而形成了完美的蛋白质结晶。

由于技术的进步,近年来确定蛋白质结构的过程变得更加容易,但是在结构生物学研究中,蛋白质晶体制备仍然耗时耗钱,成功率低,毕竟我们不能一直把蛋白质送到太空中去结晶。那么如何在蛋白质结晶筛选实验中添加材料帮助蛋白质结晶,让制备蛋白质晶体的成功率更高,科学家们仍然在用智慧探索。

参考文献:

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