获得2017年诺贝尔化学奖的科学家们因开发了一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的技术而获奖。这项技术是革命性的，因为它使科学家能够以高分辨率看到生物分子的原子结构。

但冷冻电镜仍然有一个问题：它只对大分子成像有效。

现在，加州大学洛杉矶分校的生物化学家与制药行业科学家合作开发了一种解决方案，使冷冻电镜也能够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，具有刚性的三脚架状突起，可将小蛋白质固定到位。

当处理成像时，可以通过数字方式从图片中移除支架，只留下科学家正在分析的小蛋白质的复合3D图像。

中小型蛋白质是潜在新药研究的热点，这些新药有一天可能会被用来对抗一些最棘手的人类疾病。这一进展已经在一种蛋白质上进行了测试，科学家们正在研究这种蛋白质在癌症治疗中的可能用途，并且可以针对几乎任何小蛋白质进行定制。研究人员预计，扩大冷冻电镜的成像能力将帮助他们识别蛋白质上的特定位置，以达到治疗目的。

关于这项新研究的论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

在冷冻电镜中，科学家使用冷冻电子显微镜将电子束发送穿过冷冻的材料样本，留下样本中数千个分子(例如蛋白质)的图像。分子的成像与样品中的分子完全相同，从而生成数千张从不同角度拍摄的分子二维照片。计算机处理协调所有这些照片以形成正确的3D图像-分离背景，将具有相似方向的图像分组在一起，并生成单个分子的高分辨率3D图像。

但当对最小的蛋白质分子进行成像时，它们的微小尺寸使得无法确定它们在图像中的方向，从而导致图像分辨率相对较低。

在之前的研究中，科学家试图通过将小分子附着到较大的支架上来解决这个问题，但这些实验表明，如果小分子附着得太灵活，它们就会以不同的角度和方向从支架上突出，这仍然会产生模糊的图像。

附着在KRAS蛋白上的支架的电子显微镜图像(背景)。左圆圈突出显示了一个成像支架，第二个圆圈显示了与KRAS结合的成像支架的3D结构，第三个圆圈显示了与癌症药物AMG510连接的KRAS的特写。图片来源：《美国国家科学院院刊》(2023年)。DOI：10.1073/pnas.2305494120

加州大学洛杉矶分校生物化学名誉教授、加州大学洛杉矶分校能源研究所临时所长托德·叶茨(ToddYeates)表示：“图像之所以模糊，是因为计算机无法准确确定方向，因此无法创建清晰的合成图像。”基因组学和蛋白质组学以及论文的通讯作者。

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，可以捕获蛋白质并将它们牢固地固定在适当的位置，从而产生了他们想要的更高分辨率的图像。

Yeates说：“将小分子牢固地附着在较大的支架上，会产生足够大的颗粒以进行成像，并且它们都具有完全相同的3D形状。”“从那里开始，该过程将像往常一样构建高分辨率3D图像。”

加州大学洛杉矶分校博士后研究员、该研究的主要作者罗杰·卡斯特尔-格雷尔斯(RogerCastells-Graells)表示，科学家们首先尝试了另一种形状的支架，然后才选择了带有三脚架形状突起的版本。

“一开始我们用一根指向外面的‘棍子’，但效果不太好，”他说。“新的支架具有三联体中彼此指向的突起，就像三脚架一样，可以牢固地固定蛋白质。”

研究人员通过尝试创建一种名为KRAS的蛋白质图像来测试他们的支架。KRAS促进细胞增殖，与约25%的人类癌症有关;它引起了药物研究人员的特别兴趣，因为确定蛋白质上与其致癌能力相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种途径。

使用冷冻电镜和他们开发的支架，加州大学洛杉矶分校领导的团队能够观察附着在药物分子上的KRAS原子结构，该药物分子正在研究作为肺癌潜在治疗的一部分。他们的工作证明，新的支架式冷冻电镜方法可以阐明药物分子如何与KRAS等细胞蛋白结合并抑制，并有助于指导更有效药物的开发。

Castells-Graells表示，这项新进展的潜在应用并不仅限于抗癌药物。

“我们的支架是模块化的，可以以任何配置组装，以捕获和容纳各种小蛋白质分子，”他说。