早期的X射线晶体学获得蛋白质三维结构需要借助金属丝模型、螺丝、螺栓,并进行数年单调乏味的手工计算。如今,由于ARP/wARP软件包的存在,可以利用计算机构建大分子模型。ARP/wARP由欧洲分子生物学实验室(EMBL)的Victor Lamzin和荷兰癌症研究所(NKI)的Anastassis Perrakis共同开发,目前全球超过2000名研究人员使用该软件。在美国国立卫生研究院(NIH)80万美元的资助下,该软件的功能得到了进一步扩展。
这项资助计划为期4年。Lamzin表示:“50多个国家的超过1000个实验室持有ARP/wARP许可证,截至今年6月,我们在《Nature Structural Biology》上发表的关于ARP/wARP关键改进的文章在科学文献中被引用了1000次。这为进一步的科学发展创造了巨大的驱动力。新研究资金将推动我们提升该软件识别和辨别不同类型大分子(如DNA)的能力,并改善结构模型的自动生成。ARP/wARP已经使世界上结构生物学家的研究工作变得容易,在NIH资助开发的新特性实现后,将变得更加容易。”
ARP/wARP将实验中利用X射线轰击蛋白质晶体得到的“电子密度图”转换为三维结构。Lamzin解释说:“X射线实验得到的‘衍射图样’无法用肉眼直接解读,必须通过数学方法和模型重建为三维结构图像。这是一个非常单调乏味、耗时且主观的过程。”ARP/wARP是首个(或在一段时间内唯一)能够非常准确地自动生成与实验数据匹配的模型的软件,可将构建结构模型的时间从数周缩短到数分钟。
此次资助将使科学家能够探索模型构建的新概念,并扩大软件处理的数据范围。ARP/wARP能很好地处理可辨别单个原子的高通量数据,但科学家常需处理质量较低的数据,因此该软件被稳步改进以适应低通量数据。现在Lamzin和Perrakis将进一步改善ARP/wARP在这方面的性能。
Perrakis指出:“结构生物学中的高通量方法使我们能够从事越来越多与人类健康相关的复杂问题研究。理解癌症、心血管疾病和神经退行性疾病中分子结构的作用,以及来自病原细菌或病毒的分子的结构,将有助于设计革命性的治疗策略。”为实现这一目标,科学家们计划研究候选药物蛋白的晶体结构以及不同类型的大分子。
Perrakis总结道:“ARP/wARP面临两种挑战:首先,它必须能处理更低通量的结构信息;其次,所产生的模型必须完整有效。NIH的新资助将帮助我们接近这些目标。将来,研究人员将能够专注于结构分析而不仅仅是构建模型,也许将来将ARP/wARP与某种新的细胞成像技术结合,我们将能够获得一个完整细胞所有分子的模型。”