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显微镜技术的改进揭示了生物学难以捉摸的细节

在 1600 年代后期,荷兰商人 Anthoni van Leeuwenhoek 开始使用第一台显微镜研究非常小的世界,发现了一个由原生生物、细菌和其他以前看不见的生物组成的喧嚣世界。随后几代的科学家开发出更复杂的探索微观世界的方法,将生物领域的许多奥秘带入了惊人的浮雕之中。

现在,作为多机构研究合作的一部分,应用结构发现生物设计中心(CASD) 和 ASU分子科学学院(SMS) 的研究人员正在进一步推进显微镜领域,改进一种称为低温的技术。电子显微镜或冷冻电镜。

该技术涉及快速冷冻感兴趣的生物样本,然后使用电子束成像并记录数千张二维图像,并通过计算机组装成样本结构的原子轮廓。众所周知,这种密度图然后可以转换为详细的 3D 图像。

该方法对于发现蛋白质结构的细微之处特别有用,而传统建模策略通常会忽略这些细微之处。这些信息对于了解健康和疾病至关重要。由于蛋白质是大多数药物的主要靶点,因此更全面地了解其结构和功能对于设计更有效、副作用更少的治疗方法至关重要。

新研究描述了一种通过称为最大熵的复杂统计方法产生更精确结构的方法。这种方法已在许多领域得到有效应用,从蛋白质研究和神经科学到生态学和动物种群的行为,非常适合精制冷冻电镜数据,生成最无偏见的生物样本结构模型。

像蛋白质这样的分子呈现复杂的 3 维形式,并且在其功能过程中也可以改变形状。这项新研究的通讯作者 Abhishek Singharoy 说:“复杂的生物分子实际上存在于一个状态集合中,你可以对这些不同构象的分子进行快照。”其中一些构象可能会随着时间的推移而持续存在,但其他构象则非常短暂,以十亿分之一秒的时间尺度来来去去。

所描述的新技术使研究人员能够对这些瞬态结构进行建模,这些结构在生物过程中起着至关重要的作用,但使用传统的冷冻电镜技术经常会遗漏这些结构。

来自伊利诺伊大学的研究人员加入了 ASU 团队;普渡大学;法国格勒诺布尔数学与计算机科学系;佛罗里达大学;和石溪大学。

“这项工作突出了由具有互补专业知识的实验室开发的集成和简化工具如何与实验数据结合使用,以促进我们对结构生物学的理解,”佛罗里达大学的 Alberto Perez 说。

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