一组科学家实施了一种开创性的方法，称为高分辨率模板匹配（HRTM），以惊人细致的方式探索核糖体的运作——负责蛋白质合成的细胞机械。
我们中的许多人通过快速翻动翻翻书的页面来制作动画，给人一种运动的错觉。
科学家利用类似的方法观察细胞内非常快速的分子活动。通过组装不同时间间隔的高分辨率分子图像，他们可以构建一个分子翻书来可视化运动——这是理解细胞功能所必需的。
随着时间的推移，各种翻书已经填充了有关不同分子的细节，但仍有大量信息难以捉摸，导致对细胞内分子活动的理解不完整。
幸运的是，HHMI的贾内利亚研究校园的研究人员开发了一种新技术，通过解决这些空白，生成了详细的见解。该团队由贾内利亚的Lippincott-Schwartz实验室领导，使用HRTM以惊人的清晰度检查核糖体——这些是细胞内负责蛋白质生成的分子单位。
核糖体经历多种构象状态，采纳不同的、协调的位置，使RNA链能够通过它们的两个亚单位。在这个环境中，RNA的指令被解释并转化为蛋白质，这一机制称为延伸。
通过HRTM，研究人员识别出41种独特的核糖体构象状态，构成整个延伸周期。通过将这些序列组装成翻书格式，他们产生了3D可视化，允许观察核糖体在延伸过程中的运动，揭示了该过程展开的新细节。
贾内利亚高级组长Jennifer Lippincott-Schwartz评论道：“我们正在以几乎原子级的精度观察核糖体的运动及其相关伙伴。”她领导贾内利亚的4D细胞生理学研究，并是该研究的高级作者。
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HRTM由贾内利亚研究科学家Peter Rickgauer于2017年首次提出，与前贾内利亚高级研究员Winfried Denk和现任HHMI研究员Nikolaus Grigorieff合作。
尽管当前的成像技术允许科学家捕捉分子的3D视觉效果，但这些方法要么在细胞外研究分子，要么难以检测非常微小的分子细节。研究人员不得不合并众多图像以映射核糖体的各种构象状态，这未能捕捉到更快速、更少见的配置。因此，尽管知道还有许多更多的构象存在，只有有限数量的核糖体构象得到了表示。
Rickgauer指出：“你无法获得全面的视图。就像只有翻书的每第十页。”
类似于其他技术，HRTM使用电子显微镜分析完整的冷冻细胞。然而，与试图捕捉细胞内分子的3D图像不同，HRTM通过分析来自不同细胞区域的2D图像来识别分子特征。
为了在每个图像中定位所需的分子，研究人员基于已知的分子3D构型创建模拟模型。然后，他们利用计算机在2D图像中搜索这些目标，无论位置或方向。
一旦发现匹配，关于其结构、位置和方向的信息就会被记录下来。接下来，研究人员整理这些发现，在这项新的研究中，他们能够构建不同配置下的核糖体。最终，他们将这些图像合成为一个连续的3D可视化，展现核糖体在延伸周期中经历各种构象的过渡。
延伸周期的翻书表示允许研究人员监测核糖体及其附加配体的运动。他们观察到亚单位间桥接蛋白的平滑弯曲和tRNA在核糖体结合位点之间的弹簧状运动——这些现象之前在细胞环境中未被检测到，可能为理解延伸机制提供了新见解。
除了增强对核糖体功能的理解，这项研究标志着HRTM在追踪细胞内分子运动方面的初步测试。这项技术在分析其他形式的分子活动和研究相互作用方面具有广阔前景，包括如何药物靶点在细胞内结合。
Lippincott-Schwartz表示：“这令人兴奋，因为它为研究细胞内各种分子复合物的结构动态奠定了基础。”
