En la madrugada del 21 de agosto, hora de Beijing, el grupo de investigación de Shi publicó dos artículos en línea en la famosa revista "Science": la estructura del espliceosoma de levadura 3,6 Angstrom y la base estructural del empalme del ARN mensajero precursor. , anunciando que había obtenido Se estudió la estructura tridimensional de alta resolución del espliceosoma y el mecanismo de funcionamiento básico del ARN mensajero precursor de empalme del espliceosoma.
"El Laboratorio Shi ha desafiado esta tarea casi imposible en el campo de las ciencias biológicas y ha logrado el éxito en el escenario mundial", comentó Dinshao Patel, académico de la Academia Nacional de Ciencias y famoso biólogo estructural. Se hicieron estos comentarios. Más importante aún, "la estructura de empalme fue completada completamente por científicos chinos en China utilizando la tecnología más avanzada. Esto es un hito en el desarrollo de las ciencias biológicas de China".
Fu Xiangdong, profesor del Departamento de Para Medicina Celular y Molecular de la Universidad de California en San Diego, esta investigación es "la mayor contribución de China a la ciencia mundial en el campo de las ciencias biológicas básicas en los últimos 30 años". Shi ha estado involucrado en investigaciones científicas durante 25 años y ha publicado casi 50 artículos como corresponsal en tres revistas importantes: Nature, Science y Cell. En su opinión, este descubrimiento puede ser el resultado de su investigación más importante hasta la fecha.
Misión Imposible
En 1956, el biólogo británico Crick propuso un dogma central en el campo de la biología molecular, describiendo que todos los procesos biológicos parten del ADN para que la información fluya del ARN a las proteínas.
La creación de varios premios Nobel surgió del descubrimiento y elaboración de principios centrales. Por ejemplo, el análisis estructural de la ARN polimerasa y los ribosomas ganó el Premio Nobel en 2006 y 2009 respectivamente. Como máquina molecular dinámica grande y compleja, el análisis estructural del espliceosoma generalmente se considera más difícil que el de la ARN polimerasa y los ribosomas. Al mismo tiempo, dado que muchas enfermedades humanas pueden atribuirse a un empalme incorrecto de genes o a una regulación incorrecta del espliceosoma, el análisis estructural del espliceosoma siempre se ha considerado uno de los estudios de biología estructural más candentes y esperados.
Del 65438 al 0995, Shi fue a la Universidad de Yale para una entrevista. Su jefe es Tom Steitz, quien junto con otros dos científicos ganó el Premio de Química en 2009 por su análisis de la estructura de los ribosomas. Stites realizó una investigación que más tarde le valió el Premio Nobel. Uno de sus investigadores postdoctorales le dijo a Shi: "La investigación que más quiere hacer Stites es el empalme".
El empalme, la joya de la corona de la biología molecular, es el último sueño de muchos biólogos. Pero este "chico travieso es complejo, dinámico y cambiante". Dadas las condiciones técnicas de la época, ningún científico podía "captarlo" claramente.
De 65438 a 0998, Shi fue a enseñar en la Universidad de Princeton, y este sueño también estaba escondido en su corazón. Con la acumulación de calificaciones y experiencia, Shi comenzó a estudiar las proteínas de membrana en 2004. Pero todavía no se atrevía a tocar el empalme. "Eso fue un sueño".
En 2005, Rao Hezi, académico de la Academia de Ciencias de China y famoso biólogo, coeditó un artículo en la revista Cell. Inesperadamente recibió una llamada de otro biólogo famoso, el profesor Rao Yi de la Universidad Northwestern. Rao Yi hizo una sugerencia: a continuación, es necesario investigar sobre el empalme.
La respuesta de Rao Hezi fue muy honesta: no me atrevo a tocarlo. Éste era el pensamiento de muchos biólogos de la época. Shi dijo: "No hay forma ni medio".
Los jóvenes desafían las viejas marcas.
Sin embargo, el fuego de los sueños nunca se apaga.
En 2007, Shi volvió a trabajar en el Departamento de Biología de la Universidad de Tsinghua. Su laboratorio está abierto, pero todavía no ha cumplido su sueño: los estudiantes no pueden formarse en estos temas, de lo contrario sólo se sentirán decepcionados e incluso perderán el interés por la investigación científica.
"Es demasiado peligroso. Puede que no consigas nada. No puedes permitir que los estudiantes sean carne de cañón".
En ese momento, tenía un problema más práctico del que preocuparse: llevaba mucho tiempo en el extranjero y no sabía si podría hacer algo con agua y reactivos domésticos.
Esta situación ocurre a menudo al regresar a China: las bacterias cultivadas se contaminan accidentalmente; la placa se extiende sobre la mesa experimental y al día siguiente hay todo tipo de bacterias diversas.
Shi también dedica más energía a cultivar la biología molecular y la bioquímica de los estudiantes.
Después de un año de construcción, el primer artículo de Shi se publicó después de que regresó a Tsinghua para enseñar en 2008. Aunque no se publicó en una revista importante, los estudiantes bien capacitados tenían confianza.
En este momento, la revolución tecnológica que puede capturar el empalme ya está en su infancia.
Existen tres potentes herramientas en la investigación de la biología estructural: la difracción de cristales de rayos X, la resonancia magnética nuclear y la criomicroscopía electrónica de una sola partícula (crio-EM). Sin embargo, la microscopía crioelectrónica se considera el medio técnico más débil entre las tres herramientas principales debido a su baja resolución.
En 2007, la tecnología de criomicroscopía electrónica estaba lejos de estar desarrollada, por lo que Tsinghua decidió centrarse en desarrollar tecnología de criomicroscopía electrónica. En 2009, aunque las condiciones no eran perfectas en ese momento, Shi decidió iniciar el camino hacia su sueño. "Si se cumplen las condiciones, el lirio de día estará frío". Uno de sus estudiantes de posdoctorado y dos estudiantes de doctorado se dedicaron al campo del empalme.
En este campo, el equipo de Shi es el verdadero sucesor: hay 7 laboratorios en el mundo que lideran la dirección de investigación en este campo, incluido el Laboratorio de Biología Molecular de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, que es el Laboratorio líder de biología estructural moderna, la base de la ciencia y la biología molecular, y ha ganado 14 premios Nobel.
Frente a estos poderosos competidores nacionales y extranjeros, algunos estudiantes de doctorado se preguntaron: ¿Realmente podemos hacer bien este proyecto?
Así que, desde el principio, optaron por empezar poco a poco, intentando analizar la estructura de algunas proteínas importantes en el complejo de empalme, y poco a poco se fueron acercando a la meta. Este proceso no es fácil: "Hemos estado trabajando muy duro". Shi dijo que incluso durante mucho tiempo, los estudiantes no obtuvieron resultados y estaban bajo mucha presión. Para alivio de Shi, todos estaban "tranquilos".
En 2013, la tecnología de microscopía crioelectrónica logró avances en la tecnología de fotografía y la tecnología de procesamiento de imágenes para el análisis de software. "La contribución original de la microscopía crioelectrónica y la difracción de cristales de rayos X a la biología estructural fue de 1:10, pero esta proporción casi se ha revertido en el último año", dijo Shi: "Sin innovaciones en la tecnología de microscopía crioelectrónica, esto". Sería completamente imposible obtener niveles casi atómicos. La resolución de empalme”.
Junto con el crecimiento, también existen condiciones de investigación en el campo de las ciencias de la vida. En 2007, cuando se lanzó Express, sólo había 43 laboratorios independientes en el Departamento de Biología, y ahora hay 140. Un gran número de jóvenes se han unido al ejército de las ciencias biológicas, aportando gran vitalidad a las ciencias biológicas en la Universidad de Tsinghua. Yan Chuangye, un postdoctorado de 30 años de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Tsinghua, Hang Jing, un estudiante de doctorado de 26 años de la Facultad de Medicina de la Universidad de Tsinghua, y Wan Du, de 25 años. estudiante de doctorado, se encuentran entre ellos.
A principios de año, el equipo informó por primera vez sobre el heptámero Lsm, un componente importante del complejo de empalme, y su estructura cristalina en estado unido a ARN. El artículo fue publicado en la revista Nature, pero aún estaba lejos de su objetivo.
"Necesitamos diseño, pero también métodos. No puedes simplemente usar herramientas para hacer cosas, debes entenderlas", dijo Shi Dui.
Esta espera es realmente demasiado larga.
El 24 de junio, se publicó online en el sitio web de la revista Nature un artículo del grupo de investigación Gaynor del Laboratorio de Biología Molecular de la Universidad de Cambridge, que tiene más voz en este campo. Los resultados causaron sensación: mejoraron la resolución de tri-snRNP, el compuesto central implicado en el proceso de empalme, hasta 5,9 angstroms. Anteriormente, la precisión de la comprensión humana del empalme de genes era de sólo 29 Angstroms.
1 angstrom equivale a una milmillonésima parte de un metro. El trabajo de Gaynor dio un salto adelante, pero sólo se pudo ver la estructura secundaria de las proteínas, no los aminoácidos.
Los resultados de la investigación del equipo de Shi no solo mejoraron la precisión de 5,9 angstroms a 3,6 angstroms, sino que también permitieron ver claramente muchos aminoácidos. Más importante aún, el objeto de análisis fue el esplicosoma real, no los compuestos que obtuvo el equipo de Gaynor y que participan en el proceso de ensamblaje del esplicosoma.
Esta es la primera vez que los detalles del empalme se observan con una resolución casi atómica.
Jack Shosdeck, profesor de la Facultad de Medicina de Harvard y ganador del Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2009, comentó: “El espliceosoma es el último complejo supergrande de las células que necesita ser analizado. Ha pasado demasiado tiempo."
De hecho, este fue un gran avance que Shi no esperaba.
La razón es que Wan y Hang Jing utilizaron varios métodos para domesticar estas muestras y hacerlas adecuadas para la observación con microscopio electrónico. Otra razón radica en la ingeniosa innovación del software informático de Yan Chuangye, que permite volver a seleccionar todas las partículas importantes. El día en que se publicó este artículo en Science Online, el primer correo electrónico que recibió Shi fue de un maestro en el campo de la microscopía crioelectrónica, solicitando el guión del programa.
De hecho, en abril de este año, Shi simplemente estaba "soñando con la luna". Al principio le dijo a Yan Chuangye que podíamos hacerlo con 15 angstroms. Si lo hacemos en 10 Angstroms, encontraremos un lugar para publicar un artículo y decirle al campo que llegamos primero. Inesperadamente, este límite se rompió una y otra vez: primero 12 Angstroms, luego 8 Angstroms, luego 5,6 Angstroms, luego 3,9 Angstroms y finalmente 3,6 Angstroms.
La alegría por este importante avance científico no puede ser sustituida por ningún premio. La escritura de este artículo también creó la primera vez en mis 25 años de carrera de investigación científica: la primera vez que escribí un artículo hasta que no pude dormir por la noche.
Hace poco más de dos meses, en la etapa final del sprint del proyecto de investigación, Shi llevó a tres compañeros de clase a "trabajar duro para escribir el artículo". Durante ese tiempo, escribía artículos hasta temprano en la mañana todos los días. A veces regresaba a casa después de las 6 en punto, se acostaba y dormía hasta las 8 en punto y luego se levantaba para escribir. En el tren que enviaba a los niños de regreso a su ciudad natal en Henan, pasé cuatro horas escribiendo un ensayo. Entonces, un día a las 3 de la mañana, Shi, que todavía estaba escribiendo un artículo en la oficina, de repente sufrió un calambre en el coxis y no podía moverse. Esto asustó a los estudiantes que también estaban escribiendo trabajos en el laboratorio. Después de un descanso, caminé varias veces antes de que Shi se recuperara.
Un catedrático de la Facultad de Farmacología de la Universidad de Duke, en Estados Unidos, cree que esta investigación del equipo de Shi ha resuelto "un problema biológico básico que anhelan innumerables científicos". En su opinión, el logro "será seriamente considerado por el Comité del Nobel".
Los medios de comunicación han especulado si esto supondrá un gran avance en el campo de las ciencias naturales chinas en términos del Premio Nobel.
Gao Fu, académico de la Academia China de Ciencias y subdirector del Centro Chino para el Control y la Prevención de Enfermedades, espera que los medios muestren misericordia. "Señalaron el camino a los científicos de todo el mundo. El Premio Nobel no es lo que debería hacer un equipo público. Para la ciencia no hay nada mejor, sólo mejor. Para ellos, lo más importante es estar interesados en la exploración, la curiosidad. de lo desconocido continúa siendo descubierto."
El equipo de Shi acaba de comenzar a explorar el código de empalme. "La importancia central de este trabajo es permitir a los humanos comprender mejor los procesos y mecanismos de la vida". La siguiente tarea de Shi es ver claramente las diferencias entre los diferentes empalmes, para explicar la eliminación de intrones y exones. mecanismos moleculares que lo unen. (Beijing, 23 de agosto, reportero Yuan Chunlin)