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【趣味科普】第六期:為抗擊疫情立下大功的蛋白質晶體,到底是什么?

時間:2020-11-13        來源:

2020年伊始,一場突如其來的新冠肺炎疫情席卷全國,后蔓延至全球。來勢洶洶的新型病毒并沒有猖狂太久,很快,科研人員就發現了它的真面目。

這是一種新型的冠狀病毒(SARS-CoV-2),有四種主要的結構蛋白:刺突蛋白(S蛋白),核衣殼蛋白(N蛋白),膜蛋白(M蛋白),包膜蛋白(E蛋白)。其中,S蛋白和N蛋白是新冠免疫檢測試劑盒關鍵原材料,對新冠病毒的診斷和排查具有重要價值。依據這一檢測成果,科研人員短短數天就研究出可檢測病毒的核酸試劑,快速打響了抗擊疫情的“第一槍”!

新型冠狀病毒3CL水解酶晶體結構

我們完全可以說,在抗擊新冠疫情的這場全球狙擊戰中,蛋白質的檢測和試驗,當記首功。

01

生命科學研究離不開蛋白質觀測

其實不管是新冠病毒,還是其他疾病,通過對蛋白質的觀測,都能獲得答案,生命科學的研究離不開蛋白質觀測。

這是因為,蛋白質是組成人體一切細胞、組織的重要成分,機體所有重要的組成部分都需要有蛋白質的參與,了解了蛋白質,在某種程度來說,就是了解了人類自己。

通過對“靜止”的蛋白質進行觀察,很多“疑難雜癥”都能浮出水面。

比如生雞蛋放久了不易壞,因為雞蛋清的原因,雞蛋清內的溶菌酶破壞了細菌細胞壁,殺死了細菌,研究其內部的分子結構,可以開發新的殺菌特效藥。

以癌癥為例,通過配備針對“乳腺癌”的蛋白質溶液,在太空中形成了排列整齊、易于觀測的結晶。

當結晶回到地面時,通過X射線結晶方式,能夠更加清晰的觀測到“乳腺癌”蛋白質的“真容”,使用高通量的結晶管道來幫助說明人類蛋白質組的未知部分,從而又能幫助理解癌癥的產生、發展及治療。

如果對沙眼病毒、痢疾蛋白的研究,對今后開發治療沙眼病、痢疾病的藥物也同樣很有幫助。

對于新冠病毒,它能快速傳播的原理是,新冠病毒的RNA基因組不到30000個堿基,編碼構成該病毒的29種蛋白質,這些生物大分子可以保護病原體,幫助其附著在宿主細胞上并使其復制。只有揭示這類蛋白質的結構,才能開發出可以破壞蛋白質功能的小分子,研究出抗體和疫苗。

通俗來講,蛋白質觀測,是科研人員研究疾病與治療方案的橋梁!

各式各樣的蛋白質晶體

02

蛋白質快速低成本結晶仍是難題

為了能夠更好地觀測蛋白質結構,科學家想了許多辦法:比如通過低溫,讓蛋白質的運動速度“慢下來”;或者通過結晶的方式,讓蛋白質溶液“靜止”,形成蛋白質晶體。如此一來,便能夠通過對靜止的“晶體”進行觀測,進而了解蛋白質的內部結構,實驗證明,晶體是目前是最容易觀測的材料。

蛋白質分子在晶體內穩定有序的排列

然而,晶體是高度規則的,每個晶格里要是一樣的東西,每個原子要求在相對同樣的位置。蛋白質是大分子,有成千上萬上的原子跑來跑去, 它會一直高速運動,所以要得到一個規則的晶體是很難的。

可是蛋白質又小到不能從顯微鏡下直接觀察,你還就必須得獲得它們的晶體,用X-射線去探索它們的結構,“結晶”就成了最困難的工作,不僅耗時耗錢,而且成功率低。

于是,2011年,神州八號飛船帶著17項生命科學實驗的“黑匣子”沖入太空,其中就有一項是蛋白質結晶。當中科院生物物理研究所實驗室的科研人員打開“黑匣子”時,蛋白質結晶實驗品露出了“真容”。在外太空后結晶后,蛋白質形成晶體,猶如鉆石,晶體上還折射出了藍、黃顏色的光芒。

神八帶回來的蛋白質晶體

而此前,日本科學家為了解決蛋白質結晶的難題,也曾經把蛋白質送到國際空間站上,結果有11種形成了形狀完整的蛋白質單晶體,其中包括理化研究所和大阪大學提供的嗜熱菌蛋白質。

這是由于在地球上進行結晶時,受到重力及其誘導的浮力對流的影響,蛋白質晶體下沉,出來的效果類似煮餃子沒煮好,會黏在一起。而太空失重狀態下,溶液中長出的晶體懸浮在溶液中不會下沉,不會“黏”到一起,內部分子結構排列更整齊,因而形成了完美的蛋白質結晶。

由于技術的進步,近年來確定蛋白質結構的過程變得更加容易,但是在結構生物學研究中,蛋白質晶體制備仍然耗時耗錢,成功率低,畢竟我們不能一直把蛋白質送到太空中去結晶。那么如何在蛋白質結晶篩選實驗中添加材料幫助蛋白質結晶,讓制備蛋白質晶體的成功率更高,科學家們仍然在用智慧探索。

參考文獻:

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