2010年度技术之单分子结构分析技术

　　单分子结构分析就是一种重要的结构生物学新技术，今年在这方面一种X射线自由电子激光：XFELs（X-ray free-electron lasers）引起了大家的关注。

　　

生物通报道：时近岁末，各大杂志接连进行了年终盘点，近期出版的《Nature》杂志也对2010年进行了回顾： 2010 Review of the Year，评点了2010年的科技进展，科技政策以及重要人物。其中《Nature Methods》也盘点了年度技术，选出了2010年最受关注的技术成果：光遗传学（optogenetic）工具。

除了光遗传学技术以外，《Nature Methods》也整理出了2010年最值得关注的几项技术，分别为：锌指核酸酶技术、定向蛋白质组学技术（Targeted proteomics）、测序技术（Torrents of sequence）、单分子结构分析技术（Single-molecule structure determination）、新型生物成像技术（Adaptive optics for biological imaging）、联合疾病分析技术（Networking to understand disease）和三维超高分辨率显微技术。

进行高分辨率，三维蛋白晶体结构分析是一项繁琐的实验研究，需要经过蛋白重表达，纯化和结晶等步骤，许多有趣的生物结构，比如大型复合物和膜蛋白的相关蛋白处理步骤都很麻烦，而且从这些结晶学研究中也不能得到对于了解这些蛋白功能十分关键的蛋白动力学信息。因此科学家们开始转向另外的方向。

单分子结构分析就是一种重要的结构生物学新技术，今年在这方面一种X射线自由电子激光：XFELs（X-ray free-electron lasers）引起了大家的关注。多年来科学家都在尝试把激光扩展到X射线，但是，延长原来的激光技术以达到硬X射线领域，还是存在困难的。

研究人员尝试用80亿电子伏特（8GeV）的线形加速器加速的电子，导入到用永久磁石产生的多周期交叉磁场里面让它进行蛇行运动的波绞机中，根据SASE原理，使其以0.1纳米以下的波长进行激光发振并由此产生。其亮度峰值与SPring-8相比高达10亿多倍，其脉冲幅达到千分之一以下。而且横方向上产生了完全相干性的X线。

在XFELs产生的光线中，分子并不是以结晶方式而是只以散乱方式，因此可以分析分子的形状，而且对于在生命功能中发挥重要作用的膜蛋白的大多结晶起来比较困难这一问题，利用用XFEL分析单分子构造就可以解析分子的形状。而且目前市场上的药物70%都是靶向膜蛋白，因此这一研究技术对于开发新型靶向药物也具有重要的意义。

另外今年6月美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室内、迄今世界最强大的X射线激光器——直线加速器相干光源（LCLS）发表了它自启动以来的第一项实验成果：其强大而独特的能力，达到了可操纵原子样本上单个电子的水平，从内到外逐个将电子剥离，形成了所谓的“空心原子”。

这项研究体现了X射线令人惊讶的强度与操控度，该结果让科学界人士大为赞赏；甚至包括研究人员自己在内，直到实验成功才真正相信，X射线已可达到如此精准之地步。

数十年来，科学家们一直想利用X射线来探测材料的原子尺度的结构，亦或将某种原子剔除内层电子看看“人走城空”的原子如何反应。LCLS无疑提供了这个机会。现在的LCLS输出波长在0.15纳米至1.5纳米之间可调谐，输出脉冲宽度可达80飞秒（fs），每个脉冲包含10万亿个X射线光子，作为在LCLS上完成的第一批实验结果，“空心原子”产生了。

LCLS的脉冲短暂到足以拍摄到化学反应过程中的一系列“定格”快照，亦可以对电子从原子中脱离的过程进行成像，用于观察化学反应和冲击波，以确立物质最基本的互动机制。目前科学家们希望能利用LCLS探索原子结构和原子动力学，下一步的实验对象包括原子团簇、纳米晶体蛋白甚至某些病毒。

（生物通：万纹）