【PDB-101】2021年10月 月度分子：纪念PDB开放存取50周年【搬运·翻译】
——今年是PDB的天命之年！
蛋白质数据库（Protein Data Bank, PDB）最初建立于社区驱动的努力之上，想要分享自己研究成果的晶体学家们为它付出时间与精力；自那以后，它逐渐成为了一个全球化的数据库，由全球PDB合作组织（Worldwide PDB Partnership）运营，使得大家都能免费得到来自世界上各个实验室的生物分子结构数据。在过去的50年里，PDB推动着无数领域欣欣向荣地发展，比方说研制为我们健康保驾护航的高效药物，以及预测蛋白质如何折叠成有功能的结构。PDB还为研究生物学与进化在原子水平上的基本机制提供了重要的见解，在科研和教学中的作用都举足轻重。为了在这五十周年的庆典当中献出我的一份力，我分别找出了过去每个十年当中录入的一些PDB条目，用它们来代表PDB档案中那所有令人痴迷沉醉的奇美结构。另外，我邀你来花些时间多探索一下PDB档案，去寻访那些独属于你的最爱。
结构生物学拉开帷幕
PDB的第一个十年恰好在结构生物学发展的黄金时代里。人们在二十世纪六十年代首次解明蛋白的结构，而把这些给结构生物学奠基的发现变成现实的技术随后便成为了结构生物学飞速发展的基础。1971年，PDB带着那些最早的蛋白结构数据正式建立，大家第一次对多肽如何折叠成确定的、层次分明的三维结构有了认知。第一个十年将了时，三种最常见的生物大分子——蛋白质、核酸与多糖——的结构信息在PDB里已经都能看到了。这些结构为科学家从原子层面上理解生物分子结构、蛋白质折叠、酶促催化和遗传信息的转移打下了基础。
骇人的美丽
PDB的第二个十年之内，用于X射线晶体学研究的工具和实验方法不断发展，同时溶液核磁共振（solution nuclear magnetic resonance, solution NMR）已经初露锋芒，于是新结构数据如同雨后春笋般开始了一轮爆发式增长。利用进步的技术以及病毒本身对称的特性，我们第一次看见了病毒衣壳原子水平上的结构。二十面对称的病毒，比如番茄丛矮病病毒（tomato bushy stunt virus, 这里这个）以及感染人的脊髓灰质炎病毒（poliovirus）、鼻病毒（rhinovirus）的衣壳结构展现了准对称（quasisymmetry）理论原子层面上的基础，并且带来了疫苗作用分子基础的重要见解。在这一个十年之末，HIV蛋白酶的结构数据成功帮人们把艾滋病从致命威胁变成了完全可控的慢性病。而当今，结构生物学依旧是用来抗击现在存在以及未来可能出现的病毒的一把利器。
捉摸不透的跨膜通道
PDB的第三个十年与受光驱动的质子泵——菌紫红质（bacteriorhodopsin）的结构数据一同到来。这是人们第一次得到跨膜蛋白的结构。膜蛋白的结构出了名地难以捉摸，人们为了提高膜蛋白结构的精度努力了好几十年，才最终换来那一个菌紫红质的结构。以这次成功为基，接下来的时间里，许多跨膜蛋白的结构陆陆续续都得到了解析，在PDB里也有了自己的一席之地。现在，科学家们已装备好了对付这些难解之谜的十八般兵器，比如把它们分离进纳米盘（nanodisc）中，再用冷冻电镜（cryoelectron microscopy, cryoEM）研究它们的结构。
揭示核糖体
PDB的第四个十年里面，实验技术的发展到达了顶峰阶段，大家苦苦求索多年的核糖体结构也终于因之成为了现实。大小亚基各自的首个结构打开了新世界的大门，不久核糖体与翻译因子、转运RNA、信使RNA以及其他翻译机器的合影便接踵而至，蛋白质合成过程中的原子级细节得到解明。此外，已有数不胜数的结构数据揭明了以细菌核糖体为靶点的抗生素的具体作用机理。然而，故事可远远没有结束；新解明的结构数据如一浪接一浪般汹涌而来，展现着有关核糖体作用、装配与进化那些令人着迷的方方面面。举个例子，最近得到的基因表达复合体（expressome）结构让我们看见了一个来自细菌的超巨型分子机器是如何完成从转录到翻译的全过程的。
看见分子的新方法
最近的这个十年当中，新的实验技术让我们“看到”生物分子世界的方式变得更加丰富多彩了起来。像是XFEL（译注：即X射线自由电子激光装置，可以理解为“窥探微观世界的超级高速摄像机”）这样的技术可以拍摄分子机器的运作实况，比方说用来观察核糖开关那纳米级别的微小运动，或是抓拍生色团吸收光时的样子。以往令人费解的目标，例如淀粉样蛋白纤维的结构，也能借助固相NMR的力量得到解明。综合运用这些技术之后，亲眼“看见”空前巨大而且复杂的结构——比如核孔复合体——便不再是可望而不可即的梦想了。不过，可以说影响力最大的进展依然是cryoEM近年来的分辨率革命；迄今为止，所有棘手的分子结构在它的神助之下都能成为结构生物学家的囊中之物。只用一个结构来代表这个无比繁荣的领域是不可能的，不过我现在最喜欢的是展示在这儿的这一个：细菌鞭毛马达中的转子部分与套环部分。这个结构是向鞭毛这个分子进化的奇迹产物投去的惊人一瞥；另外，按照着现在cryoEM研究飞速发展的态势，完整鞭毛的原子级分辨率图像应该不久就会到来。
探索结构：实验得到的与预测得到的肌红蛋白结构
就在我撰写这篇文章的当下，近期AlphaFold2和RoseTTAFold的成功正在悄无声息地改变着整个结构生物学界——它们预测蛋白质结构的准确率得到了飞跃式的提升。此处的这个例子对它们而言不过小菜一碟：AlphaFold2预测的人肌红蛋白结构（蓝色）与Kendrew的实验室得到的那个经典的鲸肌红蛋白结构（绿色，PDB ID 1mbn）以及后来得到的人肌红蛋白真实结构几乎完全一致。当然了，这个结构预测起来易如反掌的原因只有一个，那就是：这些预测算法的基础都是PDB几十年来收录的所有结构。它们的胜利，是精妙的计算机技术的胜利，更是成千上万为PDB里收录的结构数据做出过贡献的研究人员们的胜利。PDB条目中潜藏的结构生物学智识之宽广，以及科学家们让自己得到的结构数据能在PDB中为大家所共享的愿望，把这一切变成了可能。
对于药物和疫苗的研发、酶工程、生物纳米技术以及其他数不胜数的领域而言，情况也是如此——一切都金矿般丰饶的万千结构数据为基石，利用它们去理解生物分子的基本特性，再将得到的见解投入应用，向突破性的新目标进发。现今，有了爆炸式发展的结构研究新技术作为基础，PDB档案的内容仍在飞速扩充。谁知道在未来等待着我们的会是怎样的风景呢？PDB的下一个五十年也必将充满激动人心的时刻！
因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接以及可互动的JSmol文件。
强烈推荐去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。
作者：David S. Goodsell
搬运·翻译：OnceUponAnATP
原文网址：https://pdb101.rcsb.org/motm/262
PDB-101首页：https://pdb101.rcsb.org/
RCSB PDB首页：https://www.rcsb.org/
最后，祝PDB五十周岁生日快乐！
喵喵的，我感觉机翻翻译得都比我好。
