2024年10月9日，深圳醫學科學院顏寧團隊在 PNAS 雜志(《美國國家科學院院刊》)在線發表題為 CryoSeek: A strategy for bio-entity discovery using cryo-electron microscopy(《CryoSeek：利用冷凍電鏡發現生物實體的研究策略》)的研究論文，研究團隊將冷凍電鏡作為一種“發現”工具，拓展了人類視覺分辨率的極限，放眼大自然，發現完全未知的生物大分子。

　　論文下載地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2417046121

　　顏寧團隊試圖回答如下問題：是否可以像歷史上人類使用放大鏡、望遠鏡、光學顯微鏡一樣，使用冷凍電鏡來探索完全未知的世界?畢竟，冷凍電鏡技術自從2013年底經歷了一場技術突破之后，對結構生物學乃至多個學科都產生了非常深遠的影響，但其潛力還遠未被充分發掘。

　　為驗證這一思路的可行性，顏寧團隊從清華大學荷塘中取水若干升，經過簡單的過濾和濃縮處理之后，制備成冷凍電鏡樣品并進行數據采集。在電鏡顯微照片中，研究人員觀察到了自然水體中豐富多樣的生物大分子，其中長短、粗細不一的纖維狀結構在樣品中占據主導地位。顏寧團隊通過三維重構獲得了若干高分辨率電鏡密度圖;然后利用基于AI算法的CryoNet軟件——由清華大學生命學院副教授、科學探索獎獲得者張強鋒率團隊開發——進行自動模型搭建，很快獲得了兩種纖維狀蛋白的三維結構。

　　生物信息學分析表明，這兩種纖維狀蛋白來自完全未知的物種，大概率是某些水生細菌表面用于物質傳遞和輔助運動的菌毛。所以，在蛋白序列及來源全然未知的情況下，該項研究實現了完全基于結構的生物實體的物質鑒定和功能預測。

　　上述的CryoSeek研究策略充分展示了冷凍電鏡在科研發現中的巨大潛力。一是鑒定相對快捷，比如取自荷塘2.5升的水體樣品，經過大約4小時的過濾和濃縮，以及為期3天的冷凍電鏡數據采集和后續的計算分析，即可從高度異質性的環境樣品中成功重構兩種蛋白纖維的高分辨率結構，而過濾與數據收集的效率都可以進一步優化。二是高靈敏性，這兩個高分辨率結構重構都分別只用了幾百根蛋白纖維，但是對同樣的樣品進行質譜和宏基因組分析時，可能由于樣品豐度較低，兩種纖維的序列信息均未被檢測到。這表明，在特定生物實體的研究中，冷凍電鏡可能具備更高的敏感性和探究潛力。

　　未來，研究團隊計劃將CryoSeek研究策略應用到更加多樣化的樣品研究中。清華荷塘只是一個起點，未來的研究對象可以擴展到土壤、河流、空氣、雨雪、海洋，甚至更為極端的環境，如深海、極地、火山，乃至外太空的生物實體。研究團隊希望通過基于冷凍電鏡技術開啟結構生物學研究全新范式，從而助力多學科 (Structural X-ology) 發展，包括但不限于結構考古學 (Structural archeology)、結構病理學 (Structural pathology)、結構生態學 (Structural ecology) 等。

　　深圳醫學科學院創始院長、深圳灣實驗室主任、清華大學講席教授、北京生物結構前沿研究中心研究員顏寧，清華大學生命科學學院助理研究員李張強為本文的共同通訊作者。清華大學生命科學學院2020級直博生王彤彤、助理研究員李張強為本文共同第一作者。清華大學生命科學學院博士后徐魁、黃文澤，以及西湖大學生命科學學院博士后黃高興宇參與了本研究。清華大學生命科學學院副教授張強鋒為本研究的數據分析提供了幫助。實驗的冷凍電鏡數據收集得到了清華大學冷凍電鏡平臺的幫助;實驗的質譜鑒定工作得到了蛋白質化學與組學平臺的支持;實驗的計算工作得到清華大學高性能計算平臺、國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)的支持。本研究得到了國家自然科學基金重大研究計劃，北京生物結構前沿研究中心與清華-北大生命科學聯合中心的經費支持。