溶液态生物大分子在熱擾動的驅動下發生快速的構象轉變，這一過程涉及崎岖的能量景觀圖，因而傳統的系綜平均方法在解析瞬時、高能中間态上存在挑戰。單分子生物物理技術，如單分子熒光、納米孔檢測和單分子力譜等的發展，将時間和空間分辨率的極限推向了與生物大分子内在動力學相關的時間和空間尺度。另一方面，冷凍電鏡通過三維重構算法（如 CryoDRGN）實現從隐空間中重建生物大分子的三維結構；而時間分辨冷凍電鏡（trEM）可以提供生物大分子相互作用過程中，其三維結構随時間變化的信息。但是，對溶液态生物大分子及其相互作用的動态過程進行直接成像及構象分析仍是單分子實驗面臨的一項重大挑戰。

　　單分子液相電子透射顯微鏡（LP-EM）通過基于深度學習的圖像分析方法和對電子束效應的嚴格評估，在解析相互作用過程中生物大分子的結構動态方面展示了其獨特的能力，可以用于研究生物大分子系統（如蛋白質、DNA/RNA）中前所未見的瞬态動力學和中間構象态。

　　近期，beat365官方网站王歡課題組受邀以“Imaging Biomacromolecules in Action with Liquid-phase Electron Microscopy”為題以“Forum”形式在《Trends in Chemistry》上對使用單分子液相電鏡技術對溶液态生物大分子相互作用的動态過程及中間态解析和深度學習圖片分析方法以及分子動态三維重構等進行了展望。王歡課題組緻力于發展單分子液相電鏡成像技術和動态定量分析方法（Adv. Mater. 2017, 29, 1703555, ACS Nano 2018, 12, 8572, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019, 117, 201916065, Micosc. Microanal. 2021, 27, 3, ACS Nano 2022, 11, 18526, Chem Commun. 2023, 59, 1701，Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2024, 121, e2314797121；Chin. J. Chem. 2023, 41, 679；Acta PolymericaSinica 2024, 55(1), 129-148）。目前，使用LP-EM已經對環狀 DNA 構象态的分布、脂質體的動态組裝、單鍊 DNA（ssDNA）雜交及其組裝過程、雙鍊 DNA（dsDNA）的酶催化生長過程等進行了前沿性的研究。

　　圖1 基于深度學習的圖像分析方法解析生物大分子系統中的瞬時中間構象态。A. 石墨烯液體池示意圖。B. 通過基于深度學習的方法對 LP-EM 所獲圖像進行單分子分析的示意圖。C. 平衡系統：環狀 DNA 分子構象狀态之間的可逆轉換。D. 相互作用系統：ssDNA（t1-t3）雜交形成 dsDNA（t4）過程中，從時間序列 LP-EM 圖像中解析的路徑和中間環狀态（t2）。E. 酶催化系統： Bgl1 酶（3.9 秒時為青色）和 T4 連接酶（13.0 秒時為黃色）催化 DNA（紅色）擴增。

　　未來，随着基于神經網絡的圖像分析方法的進一步發展，該方法有望成像單個蛋白質分子并分析其瞬态動力學，解析出不同于晶體形态的高能稀有構象狀态并定量分析其構象态分布，比較它們在相互作用過程中的變化。同時，三維重構算法的發展有望從二維投影的LP-EM動态錄影中重構生物大分子三維結構随時間變化的過程，提供更為精細和豐富的構象變化信息，以深入了解有關生物大分子功能的基本生物物理問題，如生物相互作用和疾病形成過程中的構象選擇與誘導拟合機制。

　　該工作得到了國家自然科學基金（No. 22174006&No. 62371007）、beat365生物醫學成像科學中心和beat365譜學中心的資助。論文的通訊作者是beat365官方网站的王歡助理教授，第一作者是beat365官方网站博士生李佳烨。合作者還包括beat365未來技術學院孫赫教授。

　　原文連接：https://doi.org/10.1016/j.trechm.2024.04.004

排版：高楊

審核：牛林、彭海琳