每个细胞都是建造大师，能够一次又一次地制造有用且结构复杂的分子，而且错误率极低。科学家们热衷于复制这一壮举来建立自己的分子工厂，但首先他们需要了解它。
斯坦福大学化学家柴坦科斯拉实验室的博士后学者狄龙科根说：“我们在自然界中有数千条这样的装配线，它们都能制造出独特的化合物。” “我们的梦想是有一天能够将来自不同装配线的部件重新组合起来，这样我们就可以制造出自然界中没有的有用化合物。为此，我们需要了解使这些东西发挥作用的设计原则。”
现在，斯坦福大学、能源部 SLAC 国家加速器实验室、德克萨斯大学埃尔帕索分校和康奈尔大学的研究人员的两项新研究揭示了更多关于两条这样的装配线如何保持精确控制的信息。
使用一些最先进的结构生物学技术，斯坦福大学的研究人员对这些分子制造装配线如何保持其精确控制有了更多的了解。这些研究于 11 月 5 日发表在《科学》杂志上，揭示了两条这样的装配线如何在构建过程中推动不断增长的分子的新细节。
所讨论的复杂分子称为聚酮化合物，这一类别包括他汀类药物和红霉素等抗生素。虽然细胞可以使用称为合成酶的装配线轻松合成聚酮化合物，但它们的化学复杂性意味着化学家很难在实验室中制造它们。
每个合成酶可以包含数十个催化结构域，即装配线上的化学站，用于添加和修改不断增长的分子链。
停止分子摆动
在一项研究中，Khosla、Cogan 及其同事专注于生产抗生素红霉素的装配线上的一个模块。他们想看到许多不同形状的分子，每一种都对应于装配线过程中的一个阶段。为此，他们求助于 SLAC 和斯坦福大学教授 Wah Chiu，他是低温电子显微镜 (cryo-EM) 的专家，这项技术可以对冻结在原地的摆动分子进行成像，使研究人员能够同时看到许多不同形式的分子。
邱某顿时来了兴致。“这些是非常复杂的分子机器。有很多组件必须在正确的时间和地点以高度协调的方式组合在一起，”邱说。
Cogan 与 Chiu 小组的前博士后学者 Kaiming Zhang 合作，在 SLAC 的斯坦福-SLAC 低温电子显微镜设施研究他们的装配线模块。
经过多年的工作，他们看到了一些意想不到的东西：每个模块由成对的酶组成，其中一对是从侧面伸出的两个分子臂。人们认为这些手臂在姿势上相互反映。但是在 Zhang 和 Cogan 检查的模块中，一只手臂伸出，而另一只手臂向下弯曲。
科学家们很快意识到他们观察到的结构实际上是运行中的模块。
弯曲的手臂似乎像旋转门的手臂一样运作，让进入的分子等待，直到模块释放它正在处理的分子。弯曲臂被压抑的能量也可能有助于将分子推进到装配线的下一个阶段。
X 射线和冷冻电镜协同工作
在第二项研究中，德克萨斯大学埃尔帕索分校、化学家 Chu-Young Kim、SLAC 科学家 Irimpan Mathews 和康奈尔大学的 Christopher Fromme 研究了负责构建 lasalocid A(一种由 Streptomyces lasalocidi 细菌产生的分子)的装配线分子之一并用作兽用抗生素。
与 Khosla 实验室的研究一样，Kim 及其同事希望更好地了解细菌的装配线是如何工作的，以便可以使用工程合成酶生产新药。
但是，Mathews 说，获取装配线模块(称为 Lsd14)的高分辨率图像一直是一项重大挑战。Lsd14 非常大，沿着装配线模块有 8 个不同的位置，为最终产品添加零件。这使得它相对容易在研究人员研究它之前破裂。它的尺寸和灵活性也使得 X 射线晶体学的高分辨率研究特别困难，因为它很难结晶。
Mathews 和 Kim 实验室的研究生 Saket Bagde 于 2017 年加入了这项工作，此后一直致力于克服这些挑战以及更多挑战。最后，该团队在三个设施中进行了 X 射线研究，并利用了 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 的五种不同光束线，然后收集了足够的良好数据以得出结论。
结果出人意料。Kim 说，当第一次被发现时，科学家们认为 Lsd14 和其他类似的模块看起来像一根柔性绳子上的一系列珠子，并且正在构建的分子在构建时沿着这个结构跳跃。
“事实并非如此，”金说。相反，X 射线晶体学显示 Lsd14 是一种精细、高度组织和紧凑的蛋白质。“这就是为什么以前对蛋白质进行改造的尝试经常失败的原因，”他说。
为了增强他们的结果，该团队还在康奈尔大学进行了冷冻电镜研究，以了解 Lsd14 在其组装过程中的不同阶段的外观，这些阶段已被证明对结晶具有很强的抵抗力，无法用 X 射线进行研究。这些研究显示了不同形状形式的 Lsd14。结合这两种技术产生了否则可能无法获得的信息。“我们的工作是 X 射线晶体学和冷冻电镜如何产生互补结构信息的一个很好的例子，”马修斯说。
Kim 说，来自两个不同实验室研究类似分子的类似结果支持了结果也可能扩展到其他装配线分子的想法。尽管如此，在研究人员以最明智的方式开始设计他们自己的分子装配线之前，还有很多工作要做。一方面，团队还没有研究构建红霉素或拉沙里菌素 A 的整个组装过程。团队需要更多地了解这些过程，Kim 说，“但这是一个好的开始。”