利用固体NMR技术表征蛋白质组件的进展

固体NMR波谱是对具有挑战性的生物分子系统进行结构和动力学研究的一个有价值的工具，并被越来越多地应用于结构生物学、生物物理学和物理化学领域。

为了提高固体NMR波谱的潜力，研究人员一直试图开发各种可以扩大NMR应用并提高技术效率的方法。

在特拉华大学的NMR实验室，Tatyana Polenova及其同事们一直在使用魔角旋转固体NMR波谱来表征大的蛋白质组件。研究小组希望了解这些蛋白质组件的性质是如何与疾病中的功能障碍相关的。该小组对表征构成HIV-1病毒和细胞骨架的组件特别感兴趣。

在最近的一次采访中，Polenova畅谈了其团队研究的一些关键领域，以及她所希望看到、并对未来富有价值的一些技术进步。

“目前使用的方法并不总是足以回答令人感兴趣的生物学问题……我们知道HIV-1是一种全球性流行病，尽管经过多年的研究，但仍未找到治愈的方法。”她介绍说。作为结构生物学家，研究人员希望通过发现HIV-1的结构及其与宿主细胞蛋白的相互作用在疾病中发挥作用，来看看能为此做出什么样的贡献。

这些研究人员是匹兹堡HIV蛋白相互作用研究中心的一部分。该中心由NIH发起的，目的是表征HIV-宿主细胞复合体的结构。其目的是促进来自不同学科的研究人员之间的合作，包括晶体学、病毒学、NMR波谱以及生物化学，以期开发可以在HIV社区共享的方法和工具。这将增进对HIV发病机制的了解，并引领替代治疗策略研究的新途径。

Polenova还谈到了团队对来自细胞骨架的蛋白质的研究，这些蛋白质与微管和肌动蛋白相关联。她解释说，这些蛋白（如激酶和DyaCin）的突变可能导致疾病的发生。研究小组想知道突变是如何影响蛋白质结构改变、以及当分子与这些系统结合时分子是如何运动的，“结果表明，结构与运动功能的共同作用，既可能产生健康的反应，也可能很不幸地导致疾病。”

在实现这些目标方面，Polenova更详细地谈及了实验室赖以分析具有挑战性生物系统的方法，以及她希望能够提高现有技术的一些进步。

对于NMR波谱，她认为使用越来越高的磁场强度的能力是发展中最重要的方面。她指出，像Bruker这样的公司堪称这方面的先行者，并且她希望这项任务能够继续推进，因为在目前可以得到的磁场强度下，她的团队在灵敏度和分辨率方面都受到了限制。

许多生物系统都不能进行大量生产，Polenova认为第二个最重要的领域是能够获得超快速魔角自旋方法。这将实现比以往任何时候更高的分辨率和灵敏度，从而使研究者能够采用极小的样本量进行工作。

Polenova希望参与的另一个令人兴奋的领域是动态核极化（DNP），因为它有可能对自然丰度下的复杂系统进行研究，因而不仅能够大大提高灵敏度，甚至还有可能带来突破，“它是由这一领域的许多人开创的，包括Bob Griffin，并由Bruker以商用仪器形式付诸实施，这一社区极其重要，我们现在可以很容易获得这种仪器设备。”

谈到挑战，Polenova提到了NMR的低通量问题。NMR不能像接近X射线晶体学那样的速度迅速地传递信息，但它能提供精细的细节。Polenova希望通过精简，使这种通量成为一个重要的开发焦点，这将需要进行大量的计算工作和软件开发。

Polenova还认为整合各种互补性技术，如NMR、X射线晶体学、理论化学和生物物理学，是提供复杂生物系统的最详尽情况的唯一途径，“在以上技术的集成方面确实取得了令人兴奋的进展，我们能以原子级的分辨率提供关于结构和动力学细节的信息。其次，低温电子显微镜可以获得关于大颗粒包络的低分辨率信息。这是通过计算加以整合，从而给出一个关于令人感兴趣的生物组件的细腻写照。”

最后，Polenova再次谈到了开发超高场强磁体的重要性，并强调为什么说依靠共享网络设施是实现这一目标的唯一途径。她谈到，没有一个实验室能容纳价值数百万美元的仪器，但通过建立起网络，每个人都可以使用最先进的仪器。此外，她相信研究者可以在这些网络中展开合作，分享想法并吸引来自磁共振研究之外的其它学科的研究者。

她总结道，“他们可以来了解什么是NMR，同时带来他们自己的系统，以提高问题和我们目前提问的水平。”