低溫電子顯微鏡技術的進步可能會大大促進潛在癌症療法的研究。一種名為低溫電子顯微鏡或低溫電子顯微鏡的技術能讓科學家看到高解析度的生物分子原子結構。但迄今為止，這種技術對所謂的小分子成像效果不佳。

一系列低溫電子顯微鏡影像。灰階照片是成像支架附著在目標蛋白質上的多個視圖的二維投影；彩色圖片說明了從二維投影得出的三維重建。圖片來源：Roger Castells-Graells/加州大學洛杉磯分校

由加州大學洛杉磯分校領導的生物化學家小組設計出了一種解決方案，可以在成像時固定住小的蛋白質分子，這將使低溫電子顯微鏡能夠產生更清晰的小分子影像。這項進展意義重大，因為中小型蛋白質分子是癌症和其他疾病潛在新藥研究的重點領域。2017 年諾貝爾化學獎授予了開發冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的科學家，這是一項開創性技術，可對大型生物分子的原子結構進行高分辨率成像。然而，冷凍電鏡仍有缺陷： 它只對大分子成像有效。現在，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的生物化學家與製藥業科學家合作開發了一種解決方案，使低溫電子顯微鏡也能獲得較小蛋白質分子的高品質影像。科學家設計了一種20 奈米的立方體蛋白質結構，稱為”支架”，具有類似三腳架的剛性突起，可將小蛋白質固定到位。在處理成像時，可以用數位技術將支架從圖片中移除，只留下科學家正在分析的小蛋白質的合成三維影像。附著在蛋白質KRAS（背景）上的支架電子顯微鏡影像。左側圓圈顯示的是一個成像支架，第二個圓圈顯示的是與KRAS 結合的成像支架的三維結構，第三個圓圈顯示的是KRAS 與抗癌藥物AMG510 結合的特寫。圖片來源：Roger Castells-Graells/加州大學洛杉磯分校中小型蛋白質是潛在新藥研究的熱點，這些新藥有朝一日可能被用來對抗一些最棘手的人類疾病。科學家正在對一種蛋白質進行測試，研究它在癌症治療中的用途。研究人員預計，擴大低溫電子顯微鏡的成像能力將有助於他們確定蛋白質上的特定位置，從而確定治療目標。有關這項新研究的論文最近發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。低溫電子顯微鏡的工作原理在冷凍電子顯微鏡中，科學家使用冷凍電子顯微鏡發送一束電子穿過冷凍的材料樣本，留下樣本中成千上萬分子（如蛋白質）的圖像。分子在樣本中的位置會被精確成像，產生成千上萬張從不同角度拍攝的分子二維照片。電腦對所有這些照片進行處理，形成正確的三維影像–分離背景，將方向相似的影像組合在一起，產生單一分子的高解析度三維影像。但是，在對最小的蛋白質分子進行成像時，由於它們的尺寸極小，因此無法確定它們在圖像中的方向，從而產生了分辨率相對較低的圖像。在先前的研究中，科學家試圖透過將小分子附著在較大的支架上來解決這個問題，但這些實驗表明，如果小分子附著得過於靈活，它們就會以不同的角度和方向從支架上突出來，這仍然會產生模糊的圖像。加州大學洛杉磯分校生物化學榮譽傑出教授、加州大學洛杉磯分校能源部基因組學和蛋白​​質組學研究所臨時所長托德-耶茨（Todd Yeates）是這篇論文的通訊作者，他說：”圖像之所以模糊，是因為電腦在無法準確確定方向的情況下，無法產生清晰的合成影像。”在這項新研究中，科學家創建的支架具有三腳架形狀的突起，可以捕捉蛋白質並將其牢牢固定，從而獲得他們想要的更高解析度影像。耶茨說：「將小分子牢固地附著在較大的支架上，就能產生足夠大的顆粒來進行成像，而且這些顆粒的三維形狀都完全相同。從這裡開始，整個過程就像往常一樣，建構出高解析度的三維圖像”。該研究的第一作者、加州大學洛杉磯分校博士後研究員羅傑-卡斯特爾斯-格拉埃爾斯（Roger Castells-Graells）說，科學家們首先嘗試了另一種形狀的支架，然後才確定了三腳架狀突起的版本。他說：”起初，我們使用一根向外的’棍子’，但效果並不好。新支架上的突起呈三胞胎狀相互指向，就像三腳架一樣，能牢牢地固定住蛋白質。”在藥物開發的應用研究人員透過嘗試創建一種名為KRAS 的蛋白質的圖像來測試他們的支架，這種蛋白質能促進細胞增殖。它在大約25% 的人類癌症中起著作用。製藥研究人員對這種蛋白質特別感興趣，因為確定蛋白質上與其致癌能力有關的特定位置，可以幫助科學家設計中和這些位置活性的藥物–這可能是治療癌症的一條途徑。加州大學洛杉磯分校領導的研究團隊利用低溫電子顯微鏡和他們開發的支架，觀察了附著在藥物分子上的KRAS 原子結構。他們的工作證明，新的支架低溫電子顯微鏡方法可以揭示藥物分子如何與KRAS等細胞蛋白質結合並抑制它們，有助於指導開發更有效的藥物。據Castells-Graells 稱，這項新進展的潛在應用不僅限於抗癌藥物。他說：”我們的支架是模組化的，可以任意組合，捕捉和容納各種小分子蛋白質。”