蛋白质结晶过程在结构生物学、疾病研究和制药等领域是相当重要的内容。最近的共识是，非经典结晶过程（包括最初无定形前驱体相的形成）——经常发生在蛋白质、有机物和无机物的结晶过程中。也因此，研究人员提出了两步成核理论——初始的低密度溶剂化无定形集合体随后变得致密，导致成核发生。两步成核理论与经典成核理论不同，后者认为溶液中的晶核具有与最终晶态物质相同的密度和结构。最近，有研究人员直接观测到了蛋白质的经典成核过程。但迄今为止，尚未有研究报道非经典蛋白质结晶化过程的分子机理。为了确定无定型前驱体的本质以及其是否伴随结晶化（如果有，分子尺度的结构有序如何形成），需要对结晶过程进行三维分子尺度成像。

有鉴于此，魏茨曼科学研究院Boris Rybtchinski、Lothar Houben等人采用冷冻STEM研究了铁蛋白聚集体结晶过程中的不同阶段，并采用同步迭代图像重建技术构建了具有分子级精度的3D结晶过程图像。

本文要点：

1）随着聚集体的晶序逐渐增加，密度也由外而内逐渐增加。

2）实验并未观测到经典成核过程通常具有的高度有序微小结构，但偶尔能在单个无定形聚集体中观测到几个有序畴域——该现象不能用经典成核理论或两步成核理论解释。 

最后，作者指出，蛋白质结晶化过程的分子尺度分析表明去溶剂化可能是有序性连续演变过程中的驱动力。这种观点超出了现有成核模型能解释的范围，但却与之前发现的许多蛋白质结晶机制是一致的。

图：铁蛋白溶液的冷冻电镜图。

Houben, L. et al. A mechanism of ferritin crystallization revealed by cryo-STEM tomography. Nature 579, 540–543 (2020).

DOI: 10.1038/s41586-020-2104-4

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2104-4