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任罡:电子显微镜技术的最新突破

http://www.edu.hc360.com2012年03月06日08:59中国显微图像网

    近日,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLab)的一则新闻(http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2012/01/24/3d-protein/)引起了世界范围内的密切关注,相关的报道被一百多家国际新闻机构广泛转载和评论。该新闻报道了一篇最新发表的关于测定单个蛋白分子三维空间结构方法的论文。论文的两名作者分别是劳伦斯伯克利国家实验室研究员任罡博士和张磊博士(任罡博士研究小组博士后http://foundry.lbl.gov/rengroup/index.html)。为了证明该方法的实用性,他们分别测定了人体抗体蛋白以及高密度脂蛋白的单个分子的三维密度图,并取得了迄今为止最高分辨率的单个蛋白分子的三维结构。这一结论,打破了近半个世纪以来人类科研史上“单个蛋白分子的有效三维结构不可能获得”的偏见。该方法有望成为解决多形态的蛋白分子结构测定难题的基本方法。该方法通过对逐个确定的单个蛋白三维结构差异进行比较,来研究蛋白质的结构关节,而这些结构关节的信息对生物药物的结构设计有着及其重大的意义。

    一般而言,对于蛋白质结构的测定,主要的科研方法包括X光衍射法、核磁共振谱法,以及传统的单颗粒电镜重构。但这些方法需要获取成千上万的结构全同的蛋白质分子的平均信号或图像来完成,受蛋白质是否结晶、分子量过大或结构是否单一等条件制约,科研人员无法获得任意单个蛋白质个体分子的三维结构,从而无法获得蛋白质的结构关节信息,直接影响对与之密切相关的功能理解。任罡和张磊博士发展了一套测定任意单个蛋白质个体分子的三维结构方法,称之为“Individual-ParticleElectronTomography(单个体蛋白电子断层成像技术,即IPET)”。这是一种利用电子显微断层成像技术有机地结合独立开发的三维结构重构算法研究蛋白质个体分子结构的技术。该项技术的论文发表在2012年1月24日出版的PLoSONE期刊,题目为《IPETandFETR:ExperimentalApproachforStudyingMolecularStructureDynamicsbyCryo-ElectronTomographyofaSingle-MoleculeStructure》。

    该论文详细描述了IPET的流程细节和重构算法具体步骤,陈述了可以突破电子断层成像方法重构的分辨率极限理论证据,并分析了各种实验误差影响和探讨了传统算法的局限性及其对三维重构分辨率的影响,从而证明了传统所认为的“单个蛋白分子信号不足以重构有结构意义的三维空间密度图”这一观点的片面性。为了证明该方法对真实实验图像处理的实用性,任罡和张磊博士在实验中对两种蛋白质的四个单独的个体分子进行了迄今为止最高分辨率的三维结构测定。该研究成果被多名专家评价为具有开拓性的方法论,而论文的发表对蛋白个体分子的三维结构测定和蛋白质动态结构的研究具有里程碑式的意义。

    任罡博士自1990年开始师从我国著名的理论物理学家段一士教授于兰州大学物理系攻读硕士学位,自1993年师从我国著名的高分辨电子显微学创始人、准晶体的独立发现人之一的郭可信院士于北京科技大学材料物理系攻读博士学位。攻读博士学位期间,任罡博士同时跟随从英国剑桥大学留学归国的彭练矛教授(北大教授、国际电子晶体学学会会长)从事博士论文及相关的科研工作。

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