蛋白凶手现形记

作者:单少杰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-12-05

2018科普创客大赛复赛成人组晋级作品。

〖2018年“科普创客大赛”参赛作品,版权归大赛主办方所有,任何媒体、网站或个人不得转载!违者追究相应法律责任!〗

如果你不知道凶手的样子,该怎么去抓到他呢?

                                                                                                                                     ——题记

未决的凶案和模糊的凶手

这是一件悬而未决的凶案,凶手作案手法极其残忍。

尸检报告指出,所有死者的肾脏都出现了严重损伤,其肾脏的皮质和髓质出现了许多大小不一的囊肿,这些囊肿逐步挤压肾组织,造成肾实质损害。证据显示,所有的死者在生前均出现程度不一的血尿、蛋白尿、白细胞尿及高血压,且由于毒素积累,大部分死者在生前都会形成尿毒症进而死亡。警方称此凶案为“多囊肾病”。此外据警方统计,凶手的作案目标不分年龄,无论是身强力壮的成年人还是朝气蓬勃的儿童,均可能惨遭其毒手。

此凶案一经报道即引起了世界各国警方的高度关注,凶手作案手段之神秘、结果之残忍,着实令人发指。多国政府为此投入了大量的人力物力,力求捉住真凶。经过多年的通力协作,并结合诸多证据,在上世纪末期,警方终于取得突破性进展——此案件与两名叫PKD1和PKD2的嫌疑人有关!

据悉,该二人真实身份为长期居住于细胞膜上的蛋白质,平时以组合形式出现,主要工作是负责将物质从细胞膜一侧运到另一侧。但因某些尚未确定的原因,指导二人工作的PKD1基因和PKD2基因突然发生重大变化,导致二人不但不忠于本职工作,反而心生邪念,犯下了这滔天大罪。

1994年,警方通过克隆技术首次获得了嫌疑人PKD1蛋白的信息,包括其分子量和氨基酸序列。两年后,警方又通过同样的技术获得了嫌疑人PKD2蛋白的信息。并首次获得了它们的拓扑学结构示意图。

什么叫拓扑学结构示意图?就是一幅只知道嫌疑人大概样子的肖像画,比如通过这张肖像画,我们知道了嫌疑人PKD1有一副惊奇的骨骼,它像一根有十一节的鞭子一样在细胞膜上来回穿越了十一次。但因线索有限、绘图工具能力有限,这张肖像画非常粗略,且无法得知此二人在作案时的作案手法,也就无法有的放矢的消灭他们。

追凶工作,一时陷入僵局。

神探施一公和拍照神器

时光飞逝,对此二人的缉凶行动虽然从未间断,但各国警方均未取得实质性的进展,案件一时被搁置起来。终于,正义的脚步踏进了2018年,在中国,一名叫施一公的神探出现了。

施一公及其团队在《科学》杂志上撰文称他们终于成功绘制出此二人的详细肖像!

各国警方为之精神一振!

据有关人士介绍,此二人详细肖像的绘制过程可谓是艰苦卓绝。此前,虽然警方已经确认此二犯罪嫌疑人就居住在细胞膜上,但生物的细胞并不是一个固定不动的装置,而是时刻都在进行着新陈代谢,甚至分裂分化的超复杂有机体。而且,居住在细胞膜上的蛋白质种类繁多、数量各异,此二人若想转移位置、混迹于其他蛋白中隐藏自己可谓是轻而易举。

为了找到此二人,神探施一公先生另辟蹊径。他没有从细胞膜上直接搜寻,而是按照前人的方法,先找到了指导二人工作的有关基因,然后将其转移到细菌的DNA中。在细菌里,这些基因继续制造着与嫌疑人一模一样的蛋白质。

此方法虽然简便,但能获得蛋白质数量极其有限,50升的细胞也仅能获得100微克的蛋白。据其团队中一名叫王廷亮的助手介绍,这些蛋白仅能供他们研究三到五次,最终可用的样品往往仅有一到两个。

为了尽可能准确地获得嫌疑人的样本,施一公团队历尽艰辛,不断探索,终于积攒下了足够多的数量。然后,他们祭出了他们的拍照神器——冷冻电镜!

冷冻电镜,就是应用冷冻固定术,在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。它是近年来获得生物大分子结构的重要手段。

蛋白凶手现形记

冷冻电镜成像过程(图片来自:单颗粒冷冻电镜技术. http://www.lifeomics.com/?p=35129)

在嫌疑人肖像的绘制过程中,施一公及他的助手首先将获得的蛋白样品冷冻起来,然后放置在显微镜中,再让高度相干的电子作为光源从上面照下来。电子透过样品后会受到散射,探测器和投射系统可以把电子的散射信号成像记录下来,最后经过处理,两名嫌疑人的肖像就跃然纸上!

通过肖像,警方终于看清了两名嫌疑人的真面目。而且,警方还发现,在工作或者作案时,PKD1和PKD2都是以1:3的比例结合成一个大分子。不仅如此,这张肖像还破解了警方长久以来的一个争端。此前,部分警方一直认为此二人的主要工作是组成离子通道,将细胞膜一侧的钙离子运到另一侧,但肖像显示,他们并不是钙离子通道。这为以后的工作者推测它们的作案手段带来了新的思考。

蛋白凶手现形记

施一公绘制的蛋白质分子结构图(来源:《Science》)

很遥远,也很近

此次肖像的成功绘制,神探施一公团队立下了汗马功劳。而且,近年来,施一公团队利用冷冻电镜技术还成功绘制了多幅蛋白肖像,为中国在世界生命科学之林站稳脚跟做出了巨大贡献。

此前,有的人质疑,施一公名为神探,却只会做画肖像的工作,极少继续追捕嫌疑人,实在有违神探之名。但殊不知,肖像的绘制犹如弓箭的箭靶。弓箭虽利,若找不到箭靶,亦无的放矢。神探虽未亲手捉住罪犯,但他为全世界的神探指明了方向、确定了目标,他的贡献绝不容低估。

而且,冷冻电镜作为破案神奇,也越来越多的走进普通研究机构。此前,受制于成本高昂,人们虽然知道冷冻电镜给力,但没几个人真的有机会接触到它。可随着我国在科研上的投入增加,已经有越来越多的地方配备了此神器,更有越来越多的人学会了使用它。

在他们的努力下,越来越多的罪犯肖像被绘制出来,越来越多的工作者也精神矍铄的奔赴战场。

时光荏苒,童第周先生当年手剥蛙卵,让世界看到了我们艰苦执着的精神。今天,无数神器的发明使用更让世界看到了我们“君子善造物,更善假于物”的创造力和开拓进取精神。

虽然,包括多囊肾病在内的一些犯罪分子仍在威胁着我们的健康,研发一只消灭它们的药物还有很远的路要走,但凭借着一张张肖像、一次次钻研,我们相信,这遥远的将来是值得期待的,也终将到来的。

它虽然遥远,但也很近。

扫码加蝌蚪五线谱微信