结构生物学正在经历从目标结构确定到结构导向发现以前未表征的生物实体的范式转变。

2024年10月9日，清华大学颜宁及李张强共同通讯在PNAS在线发表题为“CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy”的研究论文，该研究采用冷冻电子显微镜（cryo-EM）对清华荷塘的过滤水样进行了分析，报告了两个高度相似的螺旋原纤维的结构测定和表征，命名为TLP-1a和TLP-1b，每个直径约8 nm，宽15-Å。

这些原纤维由类似的蛋白质原聚体组装而成，其结构在CryNet中方便地自动建模。原体结构与任何现有的实验结构都不匹配，但与许多未知功能的预测结构具有相同的折叠。原聚体n+4的氨基末端β链插入到原聚体n的裂缝中，完成免疫球蛋白（Ig）样结构域。这种包装机制，被称为供体-链交换（DSE），已经在几种细菌菌毛组装中观察到，其中供体是原聚体n+1。尽管形状和厚度不同，但这种相似性表明TLP-1a/b原纤维可能代表未表征的细菌毛。该研究体现了结构生物学中新兴的范式，其中高分辨率结构先于并指导先前未知物体的识别和功能表征。

自20世纪50年代DNA双螺旋结构的阐明和肌红蛋白和血红蛋白的结构确定以来，结构生物学的首要目标一直是解决复杂的结构和阐明通过遗传学、细胞生物学和生物化学确定的物体的工作机制。这些研究目标通常是从天然资源或通过重组表达获得和纯化的。近年来，单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）和人工智能驱动的结构预测技术的突破彻底改变了这一领域，使以前难以处理的大分子组装可视化成为可能。

研究人员认为，一个较少讨论但更重要的范式转变涉及使用冷冻电镜直接可视化未表征的生物分子。例如，在人类剪接体和小剪接体的冷冻电镜图中，在高分辨率三维（3D）重建中观察到一些以前未知的参与pre-mRNA剪接的蛋白质成分。同样，小鼠CatSper（现在被称为CatSpermasome）的冷冻电镜重建也揭示了至少三个与已知通道成分相关的蛋白质亚基。最近对莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）原生mastigoneme的研究发现了一个未注释的糖蛋白，将其命名为Mstax，该糖蛋白从细胞内区域到远端尖端横跨整个mastigoneme。

这些未表征成分的发现往往是偶然发生在有针对性的研究明确定义的大分子复合物与已知的功能。更进一步，建议使用冷冻电镜来发现完全未知的生物实体，直接从自然环境或本地资源中分离出来，类似于望远镜和光学显微镜在过去几个世纪所取得的成就。这种策略，研究人员暂时称之为“CryoSeek”。开始于对从自然资源中收集的标本进行冷冻电镜分析；高分辨率3D EM重建有助于可靠的模型构建；然后，衍生的结构褶皱和氨基酸序列可以进行生物信息学分析，以识别未表征的生物实体或物种。

利用CryoSeek策略发现天然生物实体（图源自PNAS）

为了证明这一概念，作者对从清华荷塘采集的水样进行了成像，这是一个因著名散文《荷塘月色》而闻名于中文世界的地方。为了保留任何潜在物体的天然结构，在制备冷冻样品之前，收集的水经过简单的过滤和浓缩。事实上，许多物质在实验中立即被发现的显微照片，最容易辨认的是不同长度和厚度的原纤维。研究人员处理了这些原纤维的图像进行3D EM重建，并使用CryNet在高分辨率地图中自动建立模型。

在这里，作者报道了两个相关的原纤维的结构鉴定，称为TLP-1a和TLP-1b，因为它们是从清华荷塘中分离出来的。该研究体现了结构生物学中新兴的范式，其中高分辨率结构先于并指导先前未知物体的识别和功能表征。清华荷塘只是一个起点，未来CryoSeek 还可能有助于将结构生物学扩展到结构 X 学，如结构病理学、结构生态学、结构考古学等。研究对象可以扩展到土壤、河流、空气、雨雪、海洋，甚至更为极端的环境，如深海、极地、火山，乃至外太空的生物实体。

论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2417046121

编辑：梁萍