利用X射线激光器获生物物理学重大突破

生物通,2012-06-01

由美国能源部SLAC国家加速器实验室领衔的一个国际研究小组发表题为“High-Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography”的文章，证明了世界上最强大的X射线激光器能用于生物分子结构研究，为这一领域的研究人员提供了生物学研究新手段。相关成果公布在Science杂志上。

几十年来，科学家们利用X光衍射法获得了晶体样品，从而重构了生物分子，及蛋白质的形状结构。利用晶体的X光衍射分析是确定分子立体结构的方法，也是最常见的方法之一。

在这篇文章中，研究人员采用的是SLAC国家加速器实验室的直线加速器连贯光源（Linac Coherent Light Source），50年前科学家开发出激光后就一直设法用较短的波长发出激光，但是遇到一个难题：波长较短，推动原子的速度就必须更快。在X光范围内产生的自由电子激光可以产生能量很强的超快脉冲，推动原子的速度就可以快到所需要的程度。

之后劳伦斯利佛摩国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）利用直线加速器连贯光源冲撞一堆氖（neon）原子，赋予电子更多能量，形成X光射线像瀑布一样爆发的状态，即迷你的原子激光。这种原子激光的光更纯净，脉冲短得多，因此可用以显现原子间互动的细节和各阶段的改变；在此之前无任何其他方法可以达到这样的效果。 研究人员利用这种LCLS获得了生物分子晶体的超高分辨率结构，其中包括一种小分子蛋白——蛋清中的溶菌酶。这是利用串行飞秒激光晶体（serial femtosecond crystallography）获得的首个高分辨率实验结果。

这项技术利用了一种比以往采用X光激光器更高分辨率的方法，因而研究人员采用比之前方法更小的晶体进行分析，也能以前所未有的方式，观察分子动力学。

“我们实际观察到的分子结构分辨率非常高，因此我们能开始推断单个原子的位置”，文章的通讯作者与第一作者，LCLS实验室的Sébastien Boutet研究员说。

这个研究组选用了溶菌酶作为首个样品，是因为这种分子的晶体易于获得，而且也已进行了广泛的研究。这项最新研究不仅以超高分辨率获得了溶菌酶的结构——能显示单个氨基酸结构，而且也证明极其小的晶体能用于更多的方面，Boutet表示这一研究组也分析了更多复杂的蛋白，以及系统。

近期美国哥德堡大学等处的研究人员也研发了一种能获得不可思议小蛋白晶体的新方法，这项研究也证明有可能利用非常小的晶体，来确定膜蛋白结构。

由于获得小蛋白晶体更容易，花费的时间也更少，因此这种方法更快一些，这也许将成为未来生物物理结构生物学研究领域的新发展方向。