2024年10月9日，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院顏寧團(tuán)隊(duì)在 PNAS 雜志(《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》)在線(xiàn)發(fā)表題為 CryoSeek: A strategy for bio-entity discovery using cryo-electron microscopy(《CryoSeek：利用冷凍電鏡發(fā)現(xiàn)生物實(shí)體的研究策略》)的研究論文，研究團(tuán)隊(duì)將冷凍電鏡作為一種“發(fā)現(xiàn)”工具，拓展了人類(lèi)視覺(jué)分辨率的極限，放眼大自然，發(fā)現(xiàn)完全未知的生物大分子。

　　論文下載地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2417046121

　　顏寧團(tuán)隊(duì)試圖回答如下問(wèn)題：是否可以像歷史上人類(lèi)使用放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)顯微鏡一樣，使用冷凍電鏡來(lái)探索完全未知的世界?畢竟，冷凍電鏡技術(shù)自從2013年底經(jīng)歷了一場(chǎng)技術(shù)突破之后，對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)乃至多個(gè)學(xué)科都產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響，但其潛力還遠(yuǎn)未被充分發(fā)掘。

　　為驗(yàn)證這一思路的可行性，顏寧團(tuán)隊(duì)從清華大學(xué)荷塘中取水若干升，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾和濃縮處理之后，制備成冷凍電鏡樣品并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在電鏡顯微照片中，研究人員觀察到了自然水體中豐富多樣的生物大分子，其中長(zhǎng)短、粗細(xì)不一的纖維狀結(jié)構(gòu)在樣品中占據(jù)主導(dǎo)地位。顏寧團(tuán)隊(duì)通過(guò)三維重構(gòu)獲得了若干高分辨率電鏡密度圖;然后利用基于AI算法的CryoNet軟件——由清華大學(xué)生命學(xué)院副教授、科學(xué)探索獎(jiǎng)獲得者張強(qiáng)鋒率團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)——進(jìn)行自動(dòng)模型搭建，很快獲得了兩種纖維狀蛋白的三維結(jié)構(gòu)。

　　生物信息學(xué)分析表明，這兩種纖維狀蛋白來(lái)自完全未知的物種，大概率是某些水生細(xì)菌表面用于物質(zhì)傳遞和輔助運(yùn)動(dòng)的菌毛。所以，在蛋白序列及來(lái)源全然未知的情況下，該項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了完全基于結(jié)構(gòu)的生物實(shí)體的物質(zhì)鑒定和功能預(yù)測(cè)。

　　上述的CryoSeek研究策略充分展示了冷凍電鏡在科研發(fā)現(xiàn)中的巨大潛力。一是鑒定相對(duì)快捷，比如取自荷塘2.5升的水體樣品，經(jīng)過(guò)大約4小時(shí)的過(guò)濾和濃縮，以及為期3天的冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集和后續(xù)的計(jì)算分析，即可從高度異質(zhì)性的環(huán)境樣品中成功重構(gòu)兩種蛋白纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)，而過(guò)濾與數(shù)據(jù)收集的效率都可以進(jìn)一步優(yōu)化。二是高靈敏性，這兩個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)重構(gòu)都分別只用了幾百根蛋白纖維，但是對(duì)同樣的樣品進(jìn)行質(zhì)譜和宏基因組分析時(shí)，可能由于樣品豐度較低，兩種纖維的序列信息均未被檢測(cè)到。這表明，在特定生物實(shí)體的研究中，冷凍電鏡可能具備更高的敏感性和探究潛力。

　　未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將CryoSeek研究策略應(yīng)用到更加多樣化的樣品研究中。清華荷塘只是一個(gè)起點(diǎn)，未來(lái)的研究對(duì)象可以擴(kuò)展到土壤、河流、空氣、雨雪、海洋，甚至更為極端的環(huán)境，如深海、極地、火山，乃至外太空的生物實(shí)體。研究團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)基于冷凍電鏡技術(shù)開(kāi)啟結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究全新范式，從而助力多學(xué)科 (Structural X-ology) 發(fā)展，包括但不限于結(jié)構(gòu)考古學(xué) (Structural archeology)、結(jié)構(gòu)病理學(xué) (Structural pathology)、結(jié)構(gòu)生態(tài)學(xué) (Structural ecology) 等。

　　深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)始院長(zhǎng)、深圳灣實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)講席教授、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心研究員顏寧，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理研究員李張強(qiáng)為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)直博生王彤彤、助理研究員李張強(qiáng)為本文共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后徐魁、黃文澤，以及西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后黃高興宇參與了本研究。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授張強(qiáng)鋒為本研究的數(shù)據(jù)分析提供了幫助。實(shí)驗(yàn)的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的幫助;實(shí)驗(yàn)的質(zhì)譜鑒定工作得到了蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的支持;實(shí)驗(yàn)的計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心(北京)的支持。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃，北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心與清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。