Nature重大突破：破解蛋白的新技术

　　来自美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员发表了一项飞跃性的成果，能令科学家们更深入的了解蛋白质之类的大分子在溶液中的结构状态。研究人员利用X射线（SAXS）或中子（SANS）SAS小角散射实验数据，开发出了一套新指标，这将能令所需时间缩减达20倍。

　　

生物通报道：来自美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员发表了一项飞跃性的成果，能令科学家们更深入的了解蛋白质之类的大分子在溶液中的结构状态。研究人员利用X射线（SAXS）或中子（SANS）SAS小角散射实验数据，开发出了一套新指标，这将能令所需时间缩减达20倍。

文章作者Robert Rambo表示，“SAS是唯一一种能在单个图像中反映大分子完整热力学状态的技术”。

“在之前的研究中，SAS分析主要集中在离散结构状态中的颗粒”，“但是，对于生物学而言，许多蛋白质和蛋白复合物并不是乖乖的听话，它们可能非常多变，导致了弥漫型的结构状态。我们的这一套新衡量标准适用于所有粒子类型。”这一研究成果公布在Nature杂志上。

文章的另外一位作者，John A. Tainer说，“在Nature杂志这篇论文中，我们报道的SAS指标将会对调控细胞生物学可变分子机器的分析，以及精确高通量解析，产生极大的影响。”

SAS成像利用X射线或中子穿透样品，在X射线或中子，和样品纳米或亚纳米大小颗粒之间产生微小碰撞，然后检测这些碰撞散射的方式，从而确定出颗粒的形状和大小。这种方法比X-射线晶体学方法更容易应用于大分子复合物，对于具有高柔性的蛋白质和复合物尤为有用。

这篇文章中，Rambo和Tainer创建的分析标准则是通过一个不变的SAS制定，也就是说其值不会随着测量方法和测量地点而改变，这种不变量被称为“体积的相关性（volume-of-correlation）”，它的值是来自于X射线或中字的散射强度，对应于粒子的结构状态，并且这与其浓度和复合物无关。

这种相关性能用于改变了形状的蛋白，并利用这些数据集帮助传统的SAS分析结果更加可靠，从而对这种从溶液中获取的结构的准确性进行确认。这种优化增强了SAS用于高通量分析工作的内在能力，应能扩大其对于研究溶液中的柔性大分子和纳米颗粒的应用。

Rombo说,“根据这种衡量标准，可能可以从理论极限收集并分析SAS数据”，“这意味着我们可以减少数据收集的时间，仪器所需的90分钟时间可以缩短到9分钟。”

Tainer也补充道，“这一发现是首个X射线散射不变量成果，并且体积相关性不变量这一新发现也打开了未来可变生物学样品分析的一扇窗。”

（生物通：张迪）

原文摘要：

Accurate assessment of mass, models and resolution by small-angle scattering

Modern small-angle scattering (SAS) experiments with X-rays or neutrons provide a comprehensive, resolution-limited observation of the thermodynamic state. However, methods for evaluating mass and validating SAS-based models and resolution have been inadequate. Here we define the volume of correlation, Vc, a SAS invariant derived from the scattered intensities that is specific to the structural state of the particle, but independent of concentration and the requirements of a compact, folded particle. We show that Vc defines a ratio, QR, that determines the molecular mass of proteins or RNA ranging from 10 to 1,000 kilodaltons. Furthermore, we propose a statistically robust method for assessing model-data agreements (χ2free) akin to cross-validation. Our approach prevents over-fitting of the SAS data and can be used with a newly defined metric, RSAS, for quantitative evaluation of resolution. Together, these metrics (Vc, QR, χ2free and RSAS) provide analytical tools for unbiased and accurate macromolecular structural characterizations in solution.

 

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