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推断生物分子原子结构有了新法

—— 美用直线加速器相干光源开辟生物学新型研究方式

导读: 近日,美国SLAC国家加速器实验室的国际科研团队已证实,其下属的强大X射线激光器能够借助相干X射线衍射成像等技术,破译生物分子的原子结构,并开辟生物学领域关键的新型研究方式。

  近日,美国SLAC国家加速器实验室的国际科研团队已证实,其下属的强大X射线激光器能够借助相干X射线衍射成像等技术,破译生物分子的原子结构,并开辟生物学领域关键的新型研究方式。

  研究团队使用了SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)来获得关于结晶的生物分子的超高分辨率视图,其中包括在蛋清中发现的名为溶解酵素的小分子蛋白等。这是基于全新相干X射线成像(CXI)设备完成的首次实验,除了分子摄像机,适配于CXI的新型像素阵列探测器(CSPAD)也是研究的关键。

  数十年来,科学家通过借助X射线照射结晶样本,重建了生物分子和蛋白质的形状,以研究它们将如何散射照射的光线。而此次是首个借助超短、超亮X射线激光脉冲对微晶体进行的瞬间成像实验,其分辨率更高,也允许科学家使用更小的晶体,并使他们能以前所未有的方式观察分子动态。

  首先,科学家可通过进样器将单个生物分子传送至LCLS,并使LCLS脉冲抵达CXI所在地。随后,在生物分子被激光束击中损毁之前,令散射的X射线与探测器“会合”,使得完好的生物分子衍射图样能被记录下来,存储在计算机之中。由于每张图样都是随机定向,科研人员之后可按分子的定向为其分类,聚合成完整的三维图案。科研人员表示,他们能够以极高的分辨率可视化生物分子结构,而借助相位复原技术,可通过衍射强度推断出分子的三维原子结构,推测出单个原子的位置等。

  而研究团队之所以选择溶解酵素作为研究的首个样本,是因为它很容易结晶,前人也对其进行了广泛的研究。实验结果显示,观测到的溶解酵素与已知的结构一致,并未显示出辐射损伤的明显特征。虽然激光脉冲最终完全破坏了样本,但却可在其被毁坏前观察衍射图样的细节,并对生物样本进行测量。

  研究团队称,利用LCLS最终可实现对于复杂生物系统的原子或分子级别的解析,例如对驱动光合作用的膜蛋白的细胞功能及机制的剖析等。这将掀起多个科学领域的发现大潮,如在制药学领域获得突破或找到新型的可替代能源等。
 

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