與其他結構生物學家一樣，Eva Nogales趕上了好時機。這位美國加州大學伯克利分校的教員現(xiàn)在可以利用新工具，解決幾年前根本無法解答的細胞分子機制問題。

zui近，Nogales和同事、分子生物學家、CRISPR-Cas9的聯(lián)合發(fā)明人Jennifer Doudna的合作項目正是個好例子。她們都對R環(huán)十分感興趣。很多情況下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，細胞內會形成一個由核苷酸構成的R環(huán)。Nogales等人對化膿性鏈球菌中的R環(huán)進行了成像，得到了近原子分辨率的結構圖像，提示了Cas9酶在特定位點如何打開DNA，并使其可用于CRISPR的分子剪刀。

這項工作zui突出的是科學家能快速地將功能與結構起來，而且他們能把成像方法結合起來。一個多世紀以來，結構生物學的方法一直是X射線晶體衍射法。但有些生物分子太大或太小，難以結晶，因此不能采用X射線法。而且，一些分子在發(fā)揮功能時，會發(fā)生形態(tài)或朝向的變化，而結晶法無法捕捉這些變化。

現(xiàn)在，科學家擁有一個龐大的成像工具庫。低溫電子顯微鏡或化學家的核磁共振（NMR）成像等方法，都能在不結晶的情況下，獲得接近原子分辨率的結構圖像，從而揭示分子的形狀、大小和方向。但并非所有方法對活細胞內的全部蛋白質、核酸都有用。

經(jīng)驗證明，沒有一個單一的方法足以探討細胞中發(fā)生的動態(tài)行為和復雜的相互作用。的解決辦法是整合來自多個工具的圖像。

這種方法得到了諸多追隨者。斯坦福大學結構生物學家Roger Kornberg指出，每個方法都能提供一些重要信息，結合起來，就能實現(xiàn)1+1>2的效果。由于在揭示基因轉錄機制方面的貢獻，Kornberg于2006獲得了諾貝爾化學獎。對于這一突破性研究，他使用的是X射線晶體衍射法?，F(xiàn)在，和其他晶體學家一樣，他開始使用多種方法的結合。

Kornberg繼續(xù)分析RNA聚合酶II，但現(xiàn)在他把冷凍電鏡和晶體學技術結合起來。與晶體技術相比，冷凍電鏡可用于不易結晶的生物分子，并且能解析較大的分子，但目前分辨率則稍遜*。Kornberg實驗室還使用化學交聯(lián)和質譜法，揭示鄰近蛋白質之間的關系以及利用已知蛋白質信息進行同源性建模。

同時，Nogales和Doudna團隊也使用混合方法研究R環(huán)。Nogales表示，“高分辨率的X射線晶體法無法解析完整的R環(huán)結構。”所以他們用冷凍電鏡在低分辨率上對完整的環(huán)結構進行解析。只有把兩者結合起來，研究人員才能真正揭示CRISPR-Cas9中R環(huán)的作用。

這種混合或綜合性方法有助于研究人員深入研究基礎科學問題，對藥物也非常有用。細胞膜上的大蛋白質往往是治療靶標，高分辨率混合方法能揭示藥物與受體相互作用的原子細節(jié)。同樣，通過展示艾滋病病毒、埃博拉病毒和其他病原體的包膜蛋白與免疫細胞相互作用機制，能有助于疫苗發(fā)展。納什維爾范德堡大學結構生物學家Jens Meiler表示，這些結構對人們理解免疫系統(tǒng)的工作機制非常重要。

Noglaes總結到：“這是混合方法的黃金時代。”

夢想成真

德國歐洲分子生物學實驗室(EMBL)細胞生物和生物物理部主任Jan Ellenberg表示，這個時代對很多生命科學家來說，是夢想成真的時代。這個夢想是從原子層面無縫銜接到細胞層面。針對細胞大分子的深入理解自然能解答結構生物學的首要問題：一個分子的結構是怎么和其功能在一起的?

結構生物學家工具箱中的每種技術都提供了不同的視角。生物學家相信，使用混合方法構建的模型可以準確地反映分子或復合體在細胞中的行為。Meiler說：“你需要把這些技術結合起來，才能得到全面答案。”

X射線晶體衍射一直是確定蛋白質原子結構的標準方法。在成立于1971年的蛋白質數(shù)據(jù)銀行擁有的大約12萬個模型中，約有90%來自晶體學研究。

不過，對于結構生物學家而言，該技術雖然分辨率高，但也有局限性。首先，樣品要高度純化，以產(chǎn)生有序的晶體。科學家通過分析原子如何散射光確定分子結構。該技術需要有足夠的原子，以產(chǎn)生可測量的衍射圖案，并且每一個晶體必須是靜態(tài)的。因此，該方法不能揭示一個分子是如何運動的以及如何起作用的，也不能揭示它如何與其他系統(tǒng)互動。

德國復雜系統(tǒng)研究所計算結構生物學小組組長Gunnar Schroder指出，蛋白質不僅僅是一個單一的靜態(tài)結構，“通常情況下，你想看到的是整個蛋白質如何工作”。Schroder使用混合方法理解蛋白的行為和彼此間的。晶體技術能提供蛋白在脫離正常環(huán)境時的快照。但結構生物學家需要其他方法補充晶體結構信息，并提高他們對蛋白質形態(tài)和功能的理解。

此外，許多蛋白質，例如細胞膜上的藥物靶點，是靈活而不穩(wěn)定的。為了讓這些蛋白質形成晶體，研究人員經(jīng)常要在某種程度上改變它們。Meiler指出，改變樣本可能無法準確反映分子的原生態(tài)以及其在細胞內的排布方式。他把實驗和計算方法結合，以便更好地理解分子結構。“晶體法是很好的初始方法，但這個方法不足以提供功能方面的信息。”他說。