彩色带图如何变成蛋白质的面孔
MOLECULAR BIOLOGY

蛋白质往往被可视化为卷曲的带和扭曲的索的级联，它们既揭示又藏匿构成这些不可能的复杂分子的原子的混乱。

简·理查森的带图抽象蛋白质的原子结构成美丽的、清晰的描画。在这幅磷酸丙糖异构酶的铅笔图中，α螺旋和β链分别被蓝色螺旋和绿色箭头代表。Jane Richardson

ByYasemin Saplakoglu

Staff Writer

August 23, 2024

简·理查森从不考虑她自己为一名艺术家。然后在20世纪70年代末，这位结构生物学家发现她自己需要一些彩色铅笔、粉彩和素描纸。

杜克大学生物化学教授理查森研究了支撑生命的工作机理的生物分子蛋白质。当时，结构生物学家正越来越擅长创建蛋白质的微小原子结构的3D模型，她和她的丈夫戴夫共享一个实验室，已经决定了该领域的前20个已知蛋白质结构中的两个。但科学家们挣扎来向彼此传达这些信息。该领域没有来比较蛋白质形状的标准化方式。在科学论文中复杂的分子不被用统一描绘，宛如每个研究人员都已经发明了他们自己的描画它们的方式一样。

因此理查德森担负起了设计一种新的科学插图的挑战——只对蛋白质。她研究如何在二维中代表三维形状，包括埃斯科尔（M.C.Escher）的艺术品。她与艺术家交谈。她回想到一堂她已经上过的幻想课。随她左右扭动了一条皮带她检查了它。

然后她拿起她的铅笔并开始了素描。她在最近接受量子杂志采访时说，“我不是一位艺术家；我不能画任何其他东西”。这是“大量的画和擦除，绘画和擦除，绘画和擦除” 。在一年的试错后，她专注在优雅的纸张和环形带上来代表原子结构上。这些画作于1981年首次出现在《蛋白质化学进展》杂志上，变成了被称为带图。

理查森的绘画风格很快被采用。结构生物学家欣赏这些画多好传达了一种蛋白质分子骨架的折叠以及它们如何允许了研究人员来用相同的视觉语言比较不同的蛋白质。

杜克大学的结构生物学家简·理查森在20世纪80年代初花时间研究艺术。她说她的带图不用压倒人的代表蛋白质分子，展示蛋白质的优雅和复杂性。Jared Lazarus/Duke University

荷兰癌症研究所和乌得勒支大学的结构生物学家阿纳斯塔西斯·佩拉基斯说，“带图渲染是无价的”。它帮助了科学家交流、教授和分类蛋白质结构，并且它捕获了科学家和非科学家一样人的想象力。理查德森说，它能够“使人们信服（蛋白质）是多么优雅并看到其复杂性，不用它是压倒人的”。

今天，带图是科学文章、教科书和杂志中无处不在的蛋白质的面孔，以它们的清晰性和美丽的特别结合闻名。弗吉尼亚大学数据科学学院院长保聂（Philip Bourne）说，“很难来想象一种是更有意义的数据的科学代表”。

这些图一直是如此成功以至于来记得我们的细胞事实上没有充满五颜六色的带和宽的箭头能是艰难的。

蛋白质的面孔

在理查森的最初葡萄球菌核酸酶草图上的铅笔污迹揭示她的过程，她说“大量的绘画和擦除，绘画和擦除，绘画和擦除”。Courtesy of Jane Richardson

日子来了又走了，我们的细胞都在努力工作构建不同种类的蛋白质。去年从欧洲分子生物学实验室退休的计算生物学家珍妮特·桑顿说，蛋白质是由叫氨基酸的分子索弄成的，每种氨基酸都有一个或多个“像从一个棒棒糖一样脱落”的几个原子组成的侧链。氨基酸骨架固有的折叠成一个叫蛋白质结构的三维形状，它决定哪个其他分子蛋白质能去结合因此它在一个细胞中的功能。

一旦结构生物学家完成了重建一个蛋白质的3D结构的长达数年的过程，他们面临了一个新问题：如何将该结构交流给其他科学家。真相是来代表一个蛋白质的真实结构是不可能的困难的。蛋白质是微小的，在纳米数量级上并能包含数十万个原子。桑顿说，“如果这些原子都被吸引然后一起被连接来看就变得很困难了”。

理查德森的创新是一种可重复的不会被陷在特定原子排列的细节中代表一个蛋白质的氨基酸骨架的折叠的方法。她依靠蛋白质的来折叠成两种能量上有利的形状的倾向：叫α螺旋的线圈和叫β链的扁平形状，后者能排列成所谓的β片。然后有环，它将阿尔法螺旋连接到贝塔链，就像在一个拼图中的角块一样。

佩拉基斯说，有其他折叠结构并且“人们为它们起了很多名字，但归根结底，要紧的是螺旋和片” 。

Mark Belan for Quanta Magazine

在她的素描年里，理查德森想出简单的来描绘这些基本形状的方法。阿尔法螺旋是看起来像装饰带的尾巴一样的线圈，有一对卷曲着的剪刀边缘。β链是指进其中氨基酸链被构建方向中的箭头。细线代表连接结构的环和匝。桑顿说，“这允许我们来沿着链绕并看到这些折叠并在三维空间中可视化它们”。

理查森的画很快因它们以科学准确性与美丽混合的方式被生物学家中捕捉住。桑顿说，“它们对我几乎是奇迹。我无法开始来做它。人们会写信给简说 ‘你能画一幅我的结构吗？’……很明显没有人能画出这么漂亮的图表” 。

但理查德森不能把她的所有的时间都花在画蛋白质上。因此，生物学家为艺术帮助转向计算机。在1981年图表的首次亮相约十年后，研究人员开发了在计算机上来生成带图的算法。理查德森经常与工作来带来图表的新特征的计算机科学家合作。它们至今仍被使用：随人工智能已经渗透进蛋白质科学领域，带图是来自诸如谷歌AlphaFold2的算法的输出。

简·理查森的手绘带图始终如一的、优雅的交流蛋白质结构。左起：对羟基苯甲酸羟化酶、分解代谢激活蛋白、糖原磷酸化酶。Jane Richardson

理查德森很高兴她不必亲自画现在已经被解码的许多蛋白质结构。她说，“我不再有来看它们的时间了”。

超越带

理查德森的带图已经变得如此普遍，来想象蛋白质会以其他方式看能是艰难的。伯恩经常提醒他的学生蛋白质实际上看起来并不像那样。

他说，一个“蛋白质一点不像一个带子”。 他补充道它远更活力的。确实，蛋白质的骨架折叠成像带图代表的线圈和薄片结构。但研究人员当他们成像蛋白质时实际上不能看到这些结构。

不同的蛋白质建模方式传达不同类型的结构信息。从左起：带图显示了氨基酸骨架。球棒模型精确的放置每个原子。空间填充模型揭示其他分子的结合位点。Protein Data Bank

佩拉基斯说，“我喜欢把它们想为柔软的硅胶模型，你能稍微挤压它们或弯曲它们” 。

当然，作为简化带图有它们的限制。它们不能传递一些结构元素，例如其他分子可能结合的隧道或口袋——对理解蛋白质如何工作和设计来针对它们的药物是至关重要的信息。它们也不能很好交流更大蛋白质或多种蛋白质复合物的结构。

伯恩说，“它给你一个形状的三维观望，但它也隐藏我们知道关于蛋白质的许多特征。这样然后能缩小人们的思维” 。他在2022年的一篇文章中叫这个为“蛋白质带图的诅咒”。

另一种流行的渲染是空间填充模型，它显示原子占据多少空间，看起来更像一种实际的蛋白质一样。它能显示蛋白质的口袋和隧道，但它不能代表蛋白质的结构如螺旋和薄片。佩拉基斯说，“这依靠你要来展示的”。许多研究人员一起观察不同类型来收集所有重要的结构信息。理查德森说，蛋白质看起来像什么是你如何选择来代表它。

她说，“这是关于画蛋白质的解放的事情……这也很可怕。对我每个人以我看它们的方式看蛋白质或者以我1980年代的方式看它们这有点诡异的” 。

她补充道她的图是一种来看它们的相当好的方式。“但这不是唯一的方式，这是肯定的” 。

https://www.quantamagazine.org/how-colorful-ribbon-diagrams-became-the-face-of-proteins-20240823/