新软件允许科学家在天然细胞环境中模拟变形蛋白质

细胞依靠由蛋白质组装体组成的复杂分子机器来执行能量产生、基因表达和蛋白质合成等基本功能。为了更好地了解这些机器的工作原理，科学家通过从细胞中分离蛋白质并使用各种方法确定其结构来捕获它们的快照。然而，这个过程也使它们脱离了原生环境，包括蛋白质相互作用伙伴和细胞位置。

最近，低温电子断层扫描(cryo-ET)已成为一种观察天然环境中蛋白质的方法，通过以不同角度对冷冻细胞进行成像以获得三维结构信息。这种方法令人兴奋，因为它允许研究人员直接观察蛋白质如何以及在何处相互作用，揭示细胞内这些相互作用的细胞邻域。

有了在天然环境中对蛋白质进行成像的技术，麻省理工学院的研究生巴雷特·鲍威尔想知道他是否可以更进一步：如果可以观察分子机器的运行情况会怎样?在3月8日发表在《自然方法》上的一篇论文中，Powell描述了他开发的称为tomoDRGN的方法，该方法用于对冷冻ET数据中蛋白质的结构差异进行建模，这些差异是由蛋白质运动或与不同相互作用伙伴结合的蛋白质引起的。这些变化被称为结构异质性。

尽管鲍威尔作为一名实验科学家加入了麻省理工学院生物学副教授乔伊·戴维斯的实验室，但他认识到计算方法在理解细胞内结构异质性方面的潜在影响。此前，戴维斯实验室开发了一种名为CryoDRGN的相关方法来了解纯化样品中的结构异质性。随着鲍威尔和戴维斯看到冷冻电子断层扫描在该领域的地位日益突出，鲍威尔接受了重新构想该框架在细胞中工作的挑战。

当使用纯化样品求解结构时，每个粒子仅成像一次。相比之下，cryo-ET数据是通过从不同角度对每个颗粒成像40多次来收集的。这意味着tomoDRGN需要能够合并来自40多张图像的信息，这正是该项目遇到的障碍：数据量导致信息过载。

为了解决这个问题，Powell成功重建了CryoDRGN模型，仅优先考虑最高质量的数据。当对同一粒子进行多次成像时，会发生辐射损伤。因此，较早获取的图像往往质量较高，因为颗粒受损较少。

鲍威尔说：“通过排除一些质量较低的数据，结果实际上比使用所有数据要好，而且计算性能要快得多。”

就在鲍威尔开始测试他的模型时，他遇到了幸运：一项开创性的新研究的作者首次以接近原子的分辨率可视化细胞内的核糖体，并在电显微镜上分享了他们的原始数据公共图像档案(EMPIAR)。该数据集是Powell的一个示例性测试用例，他通过该数据集证明tomoDRGN可以揭示冷冻ET数据中的结构异质性。

Powell表示，一个令人兴奋的结果是tomoDRGN在EMPIAR数据集中的核糖体子集周围发现的结果。一些核糖体颗粒与细菌细胞膜相关并参与称为共翻译易位的过程。当蛋白质同时合成和跨膜运输时就会发生这种情况。

研究人员可以利用这一结果提出新的假设，即核糖体如何与其他蛋白质机器一起发挥作用，将蛋白质运输到细胞外，现在由其天然环境中的复合物结构引导。

在看到tomoDRGN可以从结构多样化的数据集中解决结构异质性后，Powell很好奇：tomoDRGN可以识别多小的群体?在该测试中，他选择了一种名为脱铁铁蛋白的蛋白质，这是冷冻电子断层扫描的常用基准，通常被视为结构均质的。铁蛋白是一种用于储存铁的蛋白质，当缺乏铁时被称为脱铁铁蛋白。

令人惊讶的是，除了预期的颗粒之外，tomoDRGN还发现了一小部分铁蛋白颗粒(与铁结合)，仅占数据集的2%，这一点之前没有报道过。这一结果进一步证明了tomoDRGN能够识别很少发生的结构状态，从而可以在3D重建中对它们进行平均。

鲍威尔和戴维斯实验室的其他成员很高兴看到tomoDRGN如何应用于进一步的核糖体研究和其他系统。戴维斯致力于了解细胞如何组装、调节和降解分子机器，因此下一步包括使用这种新工具更详细地探索细胞内核糖体的生物发生。

“在净化过程中我们可能会失去哪些状态?”戴维斯问道。“也许更令人兴奋的是，我们可以观察它们如何在细胞内定位以及它们可能与哪些伙伴和蛋白质复合物相互作用。”