一、研究新知
Inside the living cell
David S. Burz and Alexander Shekhtman. Nature 458, 37-38 (2009).
（感謝高雄醫學大學天然藥物研究所林意然老師 摘譯）
只有當蛋白質具有正確的三度空間原子結構，它們才能正確地工作，現在已有可能觀察這些生物大分子在細胞內部行使功能時的結構與動力學。
結構生物學的發展，主要是以純化過的蛋白質，利用X射線結晶體學或核磁共振(NMR)光譜學的方法，以in vitro的方式，解析蛋白質原子層面的三度空間結構，目前在蛋白質結構資料庫中，已包含了超過50,000個結構。但in vitro的蛋白質結構與細胞內部的生物作用之間的相互關係，通常是以in vitro的蛋白質結構為基礎，突變蛋白質結構上的某特定位置，以觀察細胞的變化。但in vitro的蛋白質結構有時候並不完全相當於細胞內生理活性的蛋白質結構，目前Sakakibara以及Inomata等人已發展出新的方法，解析出活細胞中的蛋白質三度空間結構，並開創了結構生物學的新領域。
於是in-cell核磁共振光譜學(in-cell NMR spectroscopy)被發展，以研究蛋白質結構如何受細胞內的環境所影響；核磁共振光譜學可用於分析細胞內同位素標定的蛋白質，目前有兩種方法可將同位素標定的蛋白質送到細菌及動物的細胞中，第一種方法是利用細菌製造標定的蛋白質，第二種方法是將標定的蛋白微注射到大細胞中，像是Xenopus oocytes (蛙卵)。在這些例子中，in-cell的核磁共振光譜顯示，在細胞內的蛋白質結構與in vitro的蛋白質結構非常類似，然而，魔鬼總是藏在細節之中。
蛋白質與其它已知蛋白的特異性交互作用所引起的結構改變，可藉由解析此複合物(complex)的in vitro結構而加以鑑定，但在細胞中，一個更困難的問題在於如何辨別為數眾多、無所不在的非特異性及低親和力的交互作用對蛋白質結構的影響；活的細胞包含著高濃度的大分子，也因此是一個極端擁擠的環境，這導致了蛋白質結構的微小改變，但這微小的改變卻可能是重要的改變，Sakakibara以及Inomata等人所發表的論文，對於瞭解這些改變有著重要的貢獻。
解析in-cell的NMR蛋白質結構的主要困難，在於NMR試管中細胞樣品的有限壽命，標準的NMR實驗通常需要1~2天的數據收集，但這對活的細胞而言已是無法接受的長時間，Sakakibara等人利用了一些已知但很少使用的修改過的NMR實驗，將數據收集的時間縮短到2~3小時，並因此解析了活細菌內的一蛋白質(a putative heavy-metal-binding protein, TTHA1718) 的三度空間結構，他們的實驗過程也許將成為in-cell NMR的新標準。
比較TTHA1718的in vitro與in-cell的結構，雖然二者有顯著的類似，但仍有一些結構的不同，結構上的不同大部分集中於重金屬結合的位置(heavy-metal-binding site)以及loop的區域，這些loop的區域在蛋白質行使功能時，會經歷動態的變化；相對於結合位置的結構改變是因為細菌細胞質液中的重金屬，而動態loop的結構改變則也許是因為細胞質液中的黏性(viscosity)及分子擁擠(molecular crowding)的環境，而黏性及分子擁擠的環境也正是細胞內部的特性，在獲得in-cell NMR結構之後，探索是否亦可觀察到此一現象，將是令人感興趣的。
探索活細胞內部原子層面的蛋白質結構及蛋白質動力學(dynamics)，提供了in vitro實驗無法提供的資訊，in-cell NMR有很多的應用性：與生物分子交互作用相關的代謝及訊號傳遞路徑的調節，可被研究得更仔細；利用in-cell NMR來做藥物篩選，可做為原子層面的in vivo assay，提供了細胞內部藥物傳送的資訊，譬如藥物結合在哪裡，是否藥物結合在in vivo及in vitro有明顯的不同；更奇特的應用，包括神經元intrinsically unstructured且形成澱粉樣蛋白(amyloid)的蛋白質研究，這些蛋白質與神經退化有關。觀察蛋白質在自然環境中的結構，打破了之前只能在試管中研究蛋白質結構及蛋白質動力學的限制，現在，結構生物學已經移到細胞裏面了。
p.s. 目前筆者與Sakakibara實驗室合作中。