低温电子显微镜技术的进步可能会极大地促进潜在癌症疗法的研究。一种名为低温电子显微镜或低温电子显微镜的技术能让科学家们看到高分辨率的生物分子原子结构。但迄今为止，这种技术对所谓的小分子成像效果不佳。

一系列低温电子显微镜图像。灰度照片是成像支架附着在目标蛋白质上的多个视图的二维投影；彩色图片说明了从二维投影得出的三维重建。图片来源：Roger Castells-Graells/加州大学洛杉矶分校

由加州大学洛杉矶分校领导的一个生物化学家小组设计出了一种解决方案，可以在成像时固定住小的蛋白质分子，这将使低温电子显微镜能够生成更清晰的小分子图像。

这一进展意义重大，因为中小型蛋白质分子是癌症和其他疾病潜在新药研究的一个重点领域。

2017 年诺贝尔化学奖授予了开发冷冻电子显微镜（cryo-EM）的科学家，这是一项开创性技术，可对大型生物分子的原子结构进行高分辨率成像。然而，冷冻电镜仍有缺陷： 它只对大分子成像有效。

现在，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的生物化学家与制药业科学家合作开发出了一种解决方案，使低温电子显微镜也能获取较小蛋白质分子的高质量图像。科学家们设计了一种 20 纳米的立方体蛋白质结构，称为"支架"，具有类似三脚架的刚性突起，可将小蛋白质固定到位。

在处理成像时，可以用数字技术将支架从图片中移除，只留下科学家们正在分析的小蛋白质的合成三维图像。

附着在蛋白质 KRAS（背景）上的支架电子显微镜图像。左侧圆圈显示的是一个成像支架，第二个圆圈显示的是与 KRAS 结合的成像支架的三维结构，第三个圆圈显示的是 KRAS 与抗癌药物 AMG510 结合的特写。图片来源：Roger Castells-Graells/加州大学洛杉矶分校

中小型蛋白质是潜在新药研究的热点，这些新药有朝一日可能被用来对抗一些最棘手的人类疾病。科学家们正在对一种蛋白质进行测试，研究它在癌症治疗中的用途。研究人员预计，扩大低温电子显微镜的成像能力将有助于他们确定蛋白质上的特定位置，从而确定治疗目标。

有关这项新研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

低温电子显微镜的工作原理

在冷冻电子显微镜中，科学家使用冷冻电子显微镜发送一束电子穿过冷冻的材料样本，留下样本中成千上万分子（如蛋白质）的图像。分子在样本中的位置会被精确成像，从而产生成千上万张从不同角度拍摄的分子二维照片。计算机对所有这些照片进行处理，形成正确的三维图像--分离背景，将方向相似的图像组合在一起，生成单个分子的高分辨率三维图像。

但是，在对最小的蛋白质分子进行成像时，由于它们的尺寸极小，因此无法确定它们在图像中的方向，从而产生了分辨率相对较低的图像。

在以前的研究中，科学家们试图通过将小分子附着在较大的支架上来解决这个问题，但这些实验表明，如果小分子附着得过于灵活，它们就会以不同的角度和方向从支架上突出来，这仍然会产生模糊的图像。

加州大学洛杉矶分校生物化学荣誉杰出教授、加州大学洛杉矶分校能源部基因组学和蛋白质组学研究所临时所长托德-耶茨（Todd Yeates）是这篇论文的通讯作者，他说："图像之所以模糊，是因为计算机在无法准确确定方向的情况下，无法生成清晰的合成图像。"

在这项新研究中，科学家们创建的支架具有三脚架形状的突起，可以捕捉蛋白质并将其牢牢固定，从而获得他们想要的更高分辨率图像。

耶茨说："将小分子牢固地附着在较大的支架上，就能产生足够大的颗粒来进行成像，而且这些颗粒的三维形状都完全相同。从这里开始，整个过程就像往常一样，构建出高分辨率的三维图像"。

该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员罗杰-卡斯特尔斯-格拉埃尔斯（Roger Castells-Graells）说，科学家们首先尝试了另一种形状的支架，然后才确定了带有三脚架状突起的版本。

他说："起初，我们使用一根向外的'棍子'，但效果并不好。新支架上的突起呈三胞胎状相互指向，就像三脚架一样，能牢牢地固定住蛋白质。"

在药物开发中的应用

研究人员通过尝试创建一种名为 KRAS 的蛋白质的图像来测试他们的支架，这种蛋白质能促进细胞增殖。它在大约 25% 的人类癌症中起着作用。制药研究人员对这种蛋白质特别感兴趣，因为确定蛋白质上与其致癌能力有关的特定位置，可以帮助科学家设计出中和这些位置活性的药物--这可能是治疗癌症的一条途径。

加州大学洛杉矶分校领导的研究小组利用低温电子显微镜和他们开发的支架，观察了附着在药物分子上的 KRAS 原子结构。他们的工作证明，新的支架低温电子显微镜方法可以揭示药物分子如何与KRAS等细胞蛋白结合并抑制它们，有助于指导开发更有效的药物。

据 Castells-Graells 称，这项新进展的潜在应用不仅限于抗癌药物。他说："我们的支架是模块化的，可以任意组合，捕捉和容纳各种小分子蛋白质。"