2010年度技術之單分子結構分析技術

日期：2011-01-05 19:40:20

時近歲末，各大雜志接連進行了年終盤點，近期出版的《Nature》雜志也對2010年進行了回顧： 2010 Review of the Year，評點了2010年的科技進展，科技政策以及重要人物。其中《Nature Methods》也盤點了年度技術，選出了2010年最受關注的技術成果：光遺傳學（optogenetic）工具。

除了光遺傳學技術以外，《Nature Methods》也整理出了2010年最值得關注的幾項技術，分別為：鋅指核酸酶技術、定向蛋白質組學技術（Targeted proteomics）、測序技術（Torrents of sequence）、單分子結構分析技術（Single-molecule structure determination）、新型生物成像技術（Adaptive optics for biological imaging）、聯合疾病分析技術（Networking to understand disease）和三維超高分辨率顯微技術。

進行高分辨率，三維蛋白晶體結構分析是一項繁瑣的實驗研究，需要經過蛋白重表達，純化和結晶等步驟，許多有趣的生物結構，比如大型復合物和膜蛋白的相關蛋白處理步驟都很麻煩，而且從這些結晶學研究中也不能得到對于了解這些蛋白功能十分關鍵的蛋白動力學信息。因此科學家們開始轉向另外的方向。

單分子結構分析就是一種重要的結構生物學新技術，今年在這方面一種X射線自由電子激光：XFELs（X-ray free-electron lasers）引起了大家的關注。多年來科學家都在嘗試把激光擴展到X射線，但是，延長原來的激光技術以達到硬X射線領域，還是存在困難的。

研究人員嘗試用80億電子伏特（8GeV）的線形加速器加速的電子，導入到用永久磁石產生的多周期交叉磁場里面讓它進行蛇行運動的波絞機中，根據 SASE原理，使其以0.1納米以下的波長進行激光發振并由此產生。其亮度峰值與SPring-8相比高達10億多倍，其脈沖幅達到千分之一以下。而且橫方向上產生了完全相干性的X線。

在XFELs產生的光線中，分子并不是以結晶方式而是只以散亂方式，因此可以分析分子的形狀，而且對于在生命功能中發揮重要作用的膜蛋白的大多結晶起來比較困難這一問題，利用用XFEL分析單分子構造就可以解析分子的形狀。而且目前市場上的藥物70%都是靶向膜蛋白，因此這一研究技術對于開發新型靶向藥物也具有重要的意義。

另外今年6月美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室內、迄今世界最強大的X射線激光器——直線加速器相干光源（LCLS）發表了它自啟動以來的第一項實驗成果：其強大而獨特的能力，達到了可操縱原子樣本上單個電子的水平，從內到外逐個將電子剝離，形成了所謂的“空心原子”。

這項研究體現了X射線令人驚訝的強度與操控度，該結果讓科學界人士大為贊賞；甚至包括研究人員自己在內，直到實驗成功才真正相信，X射線已可達到如此精準之地步。

數十年來，科學家們一直想利用X射線來探測材料的原子尺度的結構，亦或將某種原子剔除內層電子看看“人走城空”的原子如何反應。LCLS無疑提供了這個機會。現在的LCLS輸出波長在0.15納米至1.5納米之間可調諧，輸出脈沖寬度可達80飛秒（fs），每個脈沖包含10萬億個X射線光子，作為在 LCLS上完成的第一批實驗結果，“空心原子”產生了。

LCLS的脈沖短暫到足以拍攝到化學反應過程中的一系列“定格”快照，亦可以對電子從原子中脫離的過程進行成像，用于觀察化學反應和沖擊波，以確立物質最基本的互動機制。目前科學家們希望能利用LCLS探索原子結構和原子動力學，下一步的實驗對象包括原子團簇、納米晶體蛋白甚至某些病毒。