欢迎访问啃书文库 - 生活百科小常识,生活小窍门,日常健康知识,百科知识大全

啃书文库 - 生活百科小常识,生活小窍门,日常健康知识,百科知识大全

啃书文库 > 生活 >

没博士学位的她,曾是结构生物学家最想“合作”的人

www.xwios.com 2024-12-28 07:24 生活

为了将蛋白质复杂的三维结构简化和可视化,科学家创造了由彩带、线条和箭头组成的丝带图,这是当今最常见的蛋白质三维结构表示办法。那样,它是如何被创造的,它的出目前科学界又有哪些意义呢?

撰文 | 小闸蟹

Don't be afraid to go in new directions. Share, collaborate, and give away ideas and results freely.

不要害怕尝试新的方向。自由地推荐、合作、拿出想法和成就。

——Jane Richardson

1958年,英国生物学家John Cowdery Kendrew等人借助X射线衍射的办法,成功确定了抹香鲸肌红蛋白的三级结构,并将研究结果发表在了Nature上。这是人类历史上首个被X射线衍射技术解出高级结构的蛋白质。1962年, Kendrew和Max Perutz因分析血红蛋白结构共享了诺贝尔化学奖,自此,结构生物学作为一门学科开始如火如荼。

同时,在大西洋彼岸的美国,一个名叫Jane Shelby的17岁少女刚刚由于裸眼观测并计算出了苏联发射的人造卫星(Sputnik)的轨迹而获得了西屋科学人才发现大赛(Westinghouse Science Talent Search)的3、。该比赛始于1942年并延续到今天,现由美国再生元公司冠名(比赛名字是Regeneron Science Talent Search),旨在在高中生中挖掘和培养科学人才。

图1 Jane 的成绩到今天可查

Jane的爸爸是一位电气工程师,可能遭到家庭影响,她从三年级的一次对美国纽约海登天文馆的参观开始,就对数学和航空航天产生了浓厚的兴趣。她后来考入美国顶尖的文理学院斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College),又在哈佛大学完成了硕士学习。毕业后,Jane当过一段时间的中学老师,随后进入了麻省理工学院的一个实验室担任技术员,开始接触结构生物学范围,并在那里遇见了当时正在攻读博士的David Richardson。

Jane和David在工作中感情升温,两人喜结连理,结婚以后也一直在为了相同的科研目的而努力。在反复对Kendrew等人的例子进行逆向研究之后,两人最后在1969年深入剖析和展示了细胞色素C的结构——这也是人类历史上第十个被解出结构的蛋白。(题外话:咱们说“爱情的结晶”是个比喻,人家是真有结晶。比不了,比不了。)

伴随愈加多的蛋白质结构被解出,结构生物学家们又面临着一个新的问题,那就是怎么样精准地表达蛋白质的结构,特别是在论文这种二维平面上展示蛋白质的三维结构。Kendrew等人发表第一个结构时,选择制作了一个模型然后拍照。显然,如此既不严谨,也不便捷。但当时的大家也并没更好的方法。

时间来到了1980年前后,Jane依旧在为这个问题而烦恼。有一次,她手中无意把玩着一根皮带,卷起的皮带就像连接起来的氨基酸骨架,这可能意味着三维蛋白质可以被更好地可视化。她以此为基础,经过一年的修修改改,创造了影响深远的丝带模型(Ribbon diagram,有时也被翻译为“飘带模型”等),并以The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure为题写作论文,发表在1981年的Advances in Protein Chemistry年刊上。该文占据了一百七十余页的篇幅,从此奠定了Jane Richardson在蛋白质“三渲二(通过计算机或人工渲染,三维空间结构渲染在二维的纸张、屏幕等载体上展示,以便读者和观众阅读、观看和理解的技术)”范围的开山鼻祖地位。

Jane的工作一经推出,便在同行圈子内广受好评。缘由无他——实在是太好使了。丝带模型明确有效地将组成蛋白质的氨基酸骨架排列并展示出来。因为氨基酸骨架会自发地形成能量较低的α-螺旋、β-折叠等结构,所以Jane创造性地用像装饰彩带的结构表示α-螺旋,用扁平的箭头表示β-折叠,与用细线来表示连接上述两种结构之间的回路。

图2 左图为JC Kendrew的“模型拍照”;右图为Jane Richardson的“丝带模型”原稿。丨图片来源:参考文献[1]/Jane Richardson

这一模型的创造惊艳了整个圈子,但非常快同行们就发现,并非每个人都能画出这么优美而准确的图。于是Jane又成了圈子内炙手可热的“画师太太”。很多同行写信给她,问:“你能帮忙画画我的这个结构吗?”

显然,Jane一个人画不完这么多的结构,科学的进步也不可能寄托于科学家的美术天分。于是Jane和David夫妇想到了用计算机生成。八九十年代正是计算机技术如火如荼的年代,然而大约十年后,他们才终于做出了可以生成丝带模型的算法。在这个计算机程序完成后,Jane开心地说:“我终于不需要再用手画图啦!”非常难想象这十年来她历程了什么。

Jane的工作并没伴随放手画笔而终止,她一直在结构生物学范围深耕,并不断为这一模型添加新的特质,其中不少沿用到今天,比如氢键和结合水的表示等。

不能否认的是,丝带模型存在肯定的局限性,比如其为了精简结构而只描述了氨基酸的骨架,而没体现出侧链,因此没办法显示出蛋白质表面的通道、凹凸等和分子间相互用途有要紧关系的结合位点。因此后人又在这一模型的基础上进步出了球棍模型(BallStick Diagram)、空间占用模型(Space Filling Diagram)等经典模型,以供读者理解。

图3 三种常用模型的比较,左边为Jane Richardson创造的丝带模型,重点体现蛋白质的氨基酸骨架和结构域等特点;中间为球棍模型,较为准确地标明了每一个原子的地方;右边为空间占用模型,通过显示每一个原子的体积,可以更直观地呈现蛋白质分子中原子或原子团簇的实质空间分布,展示了蛋白质分子表面的形态、通道和孔隙等结构特点,能够帮助在药物研发等范围探寻潜在的结合位点。丨图片来源:Protein Data Bank

有人将图3中的左图称为“Cartoon”图,事实上,不一样的模型系统的命名存在差异。如蛋白质结构数据库(RCSB PDB)中,Cartoon和Ribbon均用丝带表示α-螺旋和β-折叠,不同在于Cartoon的无定形区使用柱状细线,同时用箭头标明了β-折叠的方向;而Ribbon的无定形区使用和α-螺旋、β-折叠一样的扁形丝带,同时β-折叠也没箭头——这都是在Jane的刚开始版本之上做的改动。

图4 左图为PDB中的“Cartoon”;右图为“Ribbon”(PDB:1FPU)。

其他地方的命名方法也存在不同。比如在PyMol软件中,“Cartoon”图像本文中提到的“Ribbon”和PDB的“Cartoon”,而“Ribbon”则是一种只展示主干的展示办法,见图5。

图5 左图为PyMol中的“Ribbon”,右图为“Cartoon”(PDB:1FPU)。

无论怎么样,到了现在,丝带模型仍然是最成功的蛋白质模型,也是最常在科研论文和科普读物中看到的模型。以至于不少的老师都得反复告诫学生:“这玩意儿就是个大概,你体内不是一群箭头和螺旋。”笔者本人以往的作品中也多有此模型的应用,在此一并向Jane奶奶致谢。

图6 Jane 的早期作图,已经拥有了当代“Ribbon”或者“Cartoon”的典型特点。丨图片来源:doi.org/10.1038/77912

Jane Richardson和爱人David一块,一直在为结构生物学的进步而努力,在蛋白质结构分析和结构可视化办法方面做出了巨大贡献。蛋白质数据库(Protein Data Bank)的创立有他们一份功劳;2019年,他们庆祝了一块在杜克大学度过的50周年龄念日,杜克大学官方称Jane为丝带模型之母(Mother of Ribbon Diagrams);新冠肺炎疫情期间,他们还对新冠肺炎病毒蛋白的结构分析有所贡献。到了现在,他们依旧在杜克大学有我们的课题组。

图7 Jane Richardson丨图片来源:duke.edu

Jane Richardson一生没获得正式的博士学位,却有三个学校授与的荣誉博士学位。她十分鼓励青年的探索,并在一次采访中表示:“有些时候想想,目前的青年看蛋白质的方法和我80年代的时候是一样的。可能我创造了一个好办法,但一定不是唯一的办法。一个蛋白质长什么样子取决于你想怎么样展示它。”

特 别 提 示

1. 进入『返朴』公众号底部菜单“精品专栏“,可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号,回复四位数组成是那一年的+月份,如“1903”,可获得2019年3月的文章索引,以此类推。

版权说明:欢迎个人转发,任何形式的媒体或机构未经授权,不能转载和摘编。转载授权请在「返朴」公众号内联系后台。

Tags:蛋白质

热点排行
热门推荐
热门tag
蒜蓉 子茶 草果仁 秋色 气体 限制 副脑 投食 糖燕 乐峰网 さとうあいり 绕线 阶层 生怕 初学 动词 安装 大坝 梅雨 固件 食物 天波 膳食纤维 蛇冬 牙折 胡萝卜汁 莲花 紫草科 甲基蓝 容易缠线 盆腔炎 烫面 断口 舰艇 春梦殿锦 绝地 冰块 让她 女士 宜食 辖区 多项 单槽 发物 白粥 吃法 四层 金炯子 乐读 品种 慢性病 明目滴 干花 司捷 元宝山 礼貌 虾剑 12月 桜井麻美 佟依馨