把生物分子看得更清楚!結構生物學最新神器–冷凍電子顯微鏡

2019 年 4 月,中研院生化所特聘研究員蔡明道院士和中央大學生命科學系陳青諭助理教授的研究團隊,在《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society),發表了研究團隊如何運用冷凍電子顯微術,揭示酵素在原子尺度的結構。


這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯技術來探討酶學的論文,期刊並將此次研究成果選為當期封面,呈現出宛如藝術品的蛋白質酵素 3D 立體結構圖。冷凍電子顯微術( Cryo-electron microscopy, cryo-EM),是今日結構生物學研究最重要的技術突破。百年來,生物學家逐漸了解蛋白質、脂、核酸與醣等生物分子對生命運作的影響與機制,但過去缺乏原子級解析度的觀測工具,大大限制了生物學家的「視野」。


近半世紀,觀測技術不斷突破,構築了結構生物學一窺生命奧秘的諸多觀測方法,像 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法,各有優缺點。冷凍電子顯微術以其原子級的解析力,成為最受期待的觀測神器!


結構生物學的新「視」界:冷凍電顯技術

在過去,研究者想要看到高解析度的微觀世界,電子顯微鏡絕對是不二選擇。因為電子波長比可見光還短,使解析度可高於光學顯微鏡,甚至能看見個別原子的位置。


可惜的是,電子顯微鏡也有限度!它使用高強度的電子束照射樣本,還要讓樣本處在真空環境中,導致生物分子會嚴重變質,無法觀測。 2017 年諾貝爾化學獎冷凍電顯技術,正可突破電子顯微術的問題。


冷凍電顯技術的問世,起源於蘇格蘭學者韓德森 (Richard Henderson) 以電子束觀測蛋白質「菌紫質」 。他利用留在細胞膜內的菌紫質不易因真空環境乾掉變形,以及在液態氮的冷凍環境下樣本不易受到電子束破壞的特性,証明了冷凍電顯技術可以用來觀測生物分子,並提供足以媲美 X 射線晶體學的解析度。


瑞士學者杜波克特 (Jacques Dubochet) 進一步改善冷凍環境!他的設計是:先將液體樣本鋪在金屬網格上,形成如泡沫一般的薄膜,再將薄膜浸入攝氏負 190 度的液態乙烷。這時樣本中的水會變成「玻化水」 ,意思是水凝固時不會產生冰晶干擾觀測,而是形成無結晶的玻璃化狀態。如此一來,就算將樣本放在真空的環境,也不會影響到樣本的結構。


結構生物學的四大神器


除了冷凍電顯技術,結構生物學的研究也運用到 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法。三項技術的原理、適用範圍有所不同,既能互相補足,也各有限制,研究者必須綜合不同技術的數據,才能推敲資料背後的自然法則。


結構生物學發展初期,研究蛋白質等生物分子的主力是 X 射線晶體學(X-ray crystallography, XRC),只能觀測結晶後的生物分子。


1950 年代起,X 射線晶體學問世!科學家利用 X 射線照射結晶後的生物分子,由於生物分子的結晶會使 X 射線繞射,只要觀測繞射後的 X 射線紋路,就可經由數學方法計算出晶體的結構。


然而 ,X 射線晶體技術觀察的生物分子,本身必須能形成分子排列整齊的晶體,但不是所有蛋白質都能形成晶體。即使可以,很多蛋白質分子必須在特定的酸鹼和溫度等環境條件下才會結晶。研究者想要觀察生物分子在不同環境下的結構變化,往往缺乏分子晶體而無法如願。


核磁共振光譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR),可研究液體樣本,但較適用小分子。


核磁共振光譜法,是將樣本放置在磁場中,利用樣本中有些原子核 (如 1H 和 13C 等) 可與磁場共振,先吸收強磁場,再放出電磁波。因為分子不同,可共振的原子核數量、位置都不一樣,因此釋放出的不同電磁波訊號。研究者可從接收的電磁波訊號,反推這些原子核在分子內的數量與分布。


1980 年代起,核磁共振光譜法廣泛運用在觀察溶液中比較小的生物分子,例如:比較小的蛋白分子、RNA 結構或是構築生物膜的脂質分子。但就像一把雙面刃,核磁共振光譜法難以觀測較大、較複雜的生物分子。


質譜法(mass spectrometry, MS),透過量測帶電粒子質量/電荷(m/z)比值的方式,了解物質的組成,無法「看見」物質的立體結構。


早在 1913 年,科學家就已提出質譜法。近二十年來,開始運用質譜法分析生物分子,例如正常細胞與癌細胞的差異,作為判斷癌症等疾病的輔助分析。但質譜法只能告訴我們物質的種類與數量,無法幫助我們解析物質的三維樣貌。


總括而論,既有三項技術雖揭開大量生物分子結構的奧秘,但都有限制與改善的空間。而冷凍電顯的問世,正克服了過去技術的限制,而開拓了結構生物學研究的視野。可惜的是,在生物技術研究的國際浪潮中,過去我國相關技術的建置速度,仍略遜國際科研大國。


2000 年起,因為「基因體醫學國家型科技計畫」支持,以及後續計畫經費的持續挹注,中研院陸續購入 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法等儀器。2018 年 9 月,蔡明道團隊建置完成了國內首創的冷凍電顯中心。


冷凍電顯中心研究什麼?



「冷凍電顯技術可以克服其他儀器的限制,在可預期的未來,勢必慢慢成為主流研究方式。」蔡明道院士堅定地說。


2019 年 4 月,在冷凍電顯中心設立短短半年後,長期投入酵素研究的蔡明道院士與中央大學生科系陳青諭老師,利用冷凍電子顯微術,觀察 KARI 酵素在原子尺度的結構,並在不破壞酵素且提高實驗效率的情況下,研究 KARI 酵素的活性如何受到酸鹼環境的影響。


這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯結構來探討酶學的論文,引發關注。


這是因為 KARI 酵素與生質燃料的生產有密切關係,這項研究不只有助於理解生物機制的奧秘,還可能進入工業運用,實際解決當代能源危機與減碳難題。


除了理解生物分子結構,蔡明道院士認為冷凍電顯更重要的研究方向是:將過去生物學家對生物分子功能的理解,結合化學家對原分子尺度化學反應的理解,讓科學家更了解生化反應的機制。


除了長期投入的酵素研究以外,冷凍電顯中心可配合中研院專精的醣科學研究,以原子級的高解析度觀測蛋白質上的醣結構。或是對於疾病管制影響甚鉅的病毒研究,過去傳統上判定病毒或判斷生物是否感染病毒,常常利用血液中該病毒抗體的數量來間接推測。目前,蔡明道院士也與成大醫學中心的團隊合作,研究傳染病毒的微結構,協助疫苗研發。