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冷冻电镜:2015年最受关注的新技术

本文摘要:细胞里面的生命活动井然有序,每一个部分都有其特定的结构,分担有所不同的功能。生物大分子则是一切生命活动的最后执行者,它们主要是核酸和蛋白。核酸装载了生命体的遗传信息,而蛋白是生命活动的主要执行者。 自现代分子生物学问世以来的半个世纪里,解析和分析生物大分子的结构、进而阐述其功能机制仍然都是现代生命科学的核心问题之一。

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细胞里面的生命活动井然有序,每一个部分都有其特定的结构,分担有所不同的功能。生物大分子则是一切生命活动的最后执行者,它们主要是核酸和蛋白。核酸装载了生命体的遗传信息,而蛋白是生命活动的主要执行者。

自现代分子生物学问世以来的半个世纪里,解析和分析生物大分子的结构、进而阐述其功能机制仍然都是现代生命科学的核心问题之一。  事实上,一切自然科学都牵涉到物质结构及结构间的相互作用为核心的研究方向,天文学研究宇宙、星体等的结构及其相互作用,粒子物理研究物质世界的基本粒子的结构和相互作用,甚至还包括应用性很强的材料科学都是以研究新型材料的结构和性质等为核心。

结构生物学研究的必要目的是弄清楚生命大分子结构,从而更佳地解读生命,解读这个自然界中逆热力学第二定律而问世的奇迹;最终目标是公众一般来说关心的实用价值。  像数学物理公式会必要用上飞机、导弹、计算机一样,蛋白质结构这样的基础研究会必要转化成为人们生产生活的必需物品。较为明确的应用于,如药物设计、疫苗研发、医疗临床和蛋白质分子性能改建(如科学实验或工业生产中酶活性稳定性优化)等是蛋白质结构研究较为更容易被大众所解读的一个方向,但却只是其研究价值的一个侧面而已。  蛋白质结构如同生命科学里的数学公式和物理定律,甚至在以后不会当作生命科学里面的化学元素周期表,除了协助找到或设计新药等,它更加最重要的价值是作为最基础最上游的研究之一,通过影响一切与其密切相关的下游科学和技术,从而转变我们的世界。

  结构生物学最先问世于上个世纪中叶,它是一门通过研究生物大分子的结构与运动来阐述生命现象的学科,在其发展史上有两个里程碑式的事件,一个是DNA双螺旋结构的找到,另一个肌红蛋白(Myglobin)晶体结构的解析,这两个事件都是上个世纪最重要的革命性科学进展,皆在剑桥MRC分子生物学实验室已完成,并且都于1962年取得了诺贝尔奖(一个生理学或医学奖,一个化学奖)。同时它们都是最先用于X射线的方法来解析生物大分子结构,而这个方法在过去半个世纪里,仍然占有结构生物学的统治者地位。

  在当今结构生物学研究中广泛用于的冷冻电镜,是上个世纪七八十年代开始经常出现、近两年飞速发展的革命性技术,它可以较慢、简陋、高效、高分辨率解析高度简单的超大生物分子结构(主要是蛋白质和核酸),在相当大程度上代替并且大大超越了传统的X射线晶体学方法。


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