有了新技术，生物学家可以捕捉运动中的分子

今天的生物分子图像，包括新冠病毒-19，是如此清晰，以至于单个原子几乎是可见的。为了构建这些类型的三维图像，用电子显微镜收集被困在薄冰层中的数十个甚至数十万个分子的快照，然后用计算机将其合成一个更清晰的三维图像。

这项技术被称为单粒子低温电子显微镜，在2017年，约阿希姆•弗兰克博士哥伦比亚大学瓦杰洛斯内科医生和外科医生学院生物化学和分子生物物理学教授诺贝尔化学奖来发展这项技术。

但生物学家也对分子的电影非常感兴趣，因为它们提供了分子执行其功能的方式的线索，以及这些功能如何被药物改变。低温电子显微镜功能强大，但它只能捕捉单一静态构象的分子。

来自哥伦比亚大学、威斯康辛-密尔沃基大学、纽约市立大学和亚利桑那州立大学的一组合作者正在用一种新技术制作分子运动的视频，这种技术可以从电子显微镜的大量数据中提取更多隐藏的信息。

这项技术利用了分子在溶液中快速冷冻前随机摆动的方式。使用机器学习的数据分析可以从电子显微镜捕捉到的随机快照中发现重要的分子运动。这种分析，采用几何机器学习的数学技术，并使用分子动力学模拟细化，揭示了分子执行其生物学功能的方式。

这项研究是由瓦格洛斯医师和外科医生学院的Joachim Frank、密尔沃基市威斯康星大学的Abbas Ourmazd和Peter Schwander、纽约市立大学的Amedee des Georges和亚利桑那州立大学的Abhishek Singharoy的实验室合作开发的，研究结果于本月发表在《科学》杂志上自然通讯与联合第一作者Ali Dashti和Ghoncheh Mashayekhi合作。

用于证明这种数据分析新技术的分子是ryanodine受体，这是以前的解决了通过哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科学院的弗兰克、安德鲁·马克斯和韦恩·亨德里克森的共同努力，通过冷冻电子显微镜将分辨率提高到3.4埃。当被激活时，这个分子释放钙，并引发骨骼肌和心脏肌肉的肌肉收缩。

通过结合80万张含有或不含有激活分子的受体图像信息，首次揭示了封闭受体和开放受体之间的功能通路，这可能有助于开发治疗心力衰竭和其他疾病的新药。