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共晶结构对于合理药物设计的重要性
近年来 ， 获得有效的天然产物已经越来越难 ， 药企又不能将创新药研发寄望于“偶然发现” 。 研发思路需要从“偶然发现”到“合理设计”转变 ， 才能真正摆脱新药研发投资高、周期长、风险大的固有印象 。 目前“合理药物设计”几乎成为了各大制药公司和Biotech对于创新药物开发的常规思路和方法 。
合理药物设计(Rational Drug Design) ， 是基于结构的药物设计 ， 通过对药物结构和体内靶点相互作用的研究 ， 使药物达到需要的目的 ， 如抑制酶的活性、促进某种物质的释放、阻碍通道等 。 这过程很大程度上依赖于对靶点和药物三维结构的理解 ， 因此 ， 结构生物学对药物研究产生了深远的影响 。 对于小分子药物的设计 ， 靶标蛋白-小分子配体的共晶结构（以下简称为“共晶结构”）是药物设计过程中最关键的信息 。
共晶结构信息不仅能揭示两者的结合模式和生物活性构象、发现新的结合口袋或变构结合位点 ， 而且丰富了合理药物设计途径 ， 如基于结构的药物设计（SBDD）、基于片段的药物设计(FBDD)、计算机药物辅助设计（CADD）、AI药物发现等 。
共晶结构的获取方法
一直以来 ， 结构生物学研究中获得蛋白三维结构信息主要是通过X射线晶体学和核磁共振NMR的方法 。 其中 ， NMR只能针对溶液中的、分子量很小（约20kDa）的样品进行测试 ， 最近几年已使用不多 。 因此 ， PCB中绝大多数的结构是通过X射线晶体学来获取（图1 PCB数据统计结果） 。
PCB统计出来的XRD和NMR解析出来的结构数量
近二十多年来 ， 基于冷冻透射电子显微镜开发的单颗粒技术（CryoEM-SPA）有了显著的进步 ， 其无需进行结晶即可对蛋白样品进行结构解析 。 但cryoEM-SPA相对低的分辨率（一般>3?） ， 一般更适用于大分子量的蛋白（＞200KD） ， 而且设备成本昂贵等 ， 也限制了SPA进一步的发展 。
目前 ， 最新的结构生物学结构解析技术是基于冷冻透射电镜开发的另一种技术——微晶电子衍射MicroED 。 其利用电子束可以对微小晶体样品进行测试 ， 通过对衍射图谱进行分析 ， 完成结构解析 。 MicroED有能力达到与X射线晶体学几乎一样的高分辨率 ， 而且测试需要的单晶样品仅需要百纳米级别大小 ， 大大降低了蛋白单晶培养的难度和周期 。 鉴于其将在药物研发领域发挥极大的作用 ， Science杂志评选MicroED为2018年十大技术突破之一 。
MicroED 被Science杂志评为2018年十大技术突破之一
本文将重点介绍MicroED的技术特点 ， 并与传统X射线晶体学对比 ， 并且列举案例说明MicroED是如何帮助药物设计中的研究人员快速得到关键的共晶结构信息 。
MicroEDVS.XRD
自1912年劳厄发现X射线晶体衍射现象 ， 小布拉格开创X射线晶体学以来 ， 已经过去了100年 。 这一发现 ， 对人类科学的发展 ， 特别是微观结构科学的影响至为巨大 ， 具有里程碑的意义 。 在这100年中 ， X射线晶体学发展迅速 ， 成果累累 。 X射线晶体学包括晶体生长 ， 衍射数据收集及处理和结构解析三个步骤 ， 其中晶体生长是最大的瓶颈 ， 在这个步骤中 ， 需要将蛋白质颗粒在溶液中培养成为尺寸足够大的晶体（约200微米以上尺寸） 。 即使在大科学装置同步辐射中 ， 利用高强度的X射线对样品进行测试 ， 也是需要样品培养成50微米尺寸以上 。 众所周知 ， 对于许多蛋白来说 ， 常常难以得到这种尺寸的晶体 。
MicroED利用冷冻电镜的设备 ， 通过将高能电子轰击纳米晶体产生衍射数据 ， 进行结构解析 。 MicroED是衍射技术的一种 ， 由于晶体与高能电子的相互作用远远强于与X射线的相互作用 ， 因此 ， 与X射线晶体学相比 ， MicroED结构解析所需的晶体尺寸大大降低 ， 仅需100纳米大小的晶体即可进行测试 。
MicroED跟X射线晶体学的技术对比
对于药物研发中关键的共晶结构解析 ， MicroED所需的晶体尺寸大幅度降低 ， 因此能够带来应用层面的诸多优势：
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