新方法使用纳米晶体来确定生物分子的结构

亚利桑那州立大学建造蛋白质束注射器;纳米晶体。

揭开生命的分子基础是人类长期以来的追求。2月3日发表在科学杂志《自然》(Nature)上的两项研究报告了这一目标的突破性进展，详细介绍了一种新方法，该方法基于蛋白质纳米晶体的衍射来确定生物分子的结构，这些纳米晶体非常小，在显微镜下甚至看不见。一个微型航空喷气喷嘴提供了完全水合的纳米晶体流，两者都是由亚利桑那州立大学的跨学科研究小组提供的。

这些进展使得一个由近90名研究人员组成的国际团队在晶体在超强超短飞秒X射线脉冲中爆炸之前收集了300多万张精美清晰的衍射图案“快照”，该脉冲强度如此之大，最终将蒸发其焦点中的任何固体材料。这些实验显示了X射线自由电子激光器——位于美国能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源——在生物学和医学领域的新发现方面的巨大潜力。

“从一开始，生物学家记录的图像的分辨率就受到辐射损伤的限制，”物理学家约翰·C·H·斯宾塞（John C.H.Spence）说，他是ASU文理学院的摄政教授，也是该研究的主要作者之一。“但是，如果使用的成像辐射脉冲在损伤开始之前终止，但包含足够的光子以生成有用的散射图案，会发生什么情况？”欧洲杯线上买球

科学界的许多人不相信这种方法可行。然而，斯宾塞说，“理论和最近使用软x射线的实验表明，这可能确实提供了一条真正无损伤成像的有用路径，而且最近发明了硬x射线激光器(直线加速器相干光源)。”

解开蛋白质结构

生物是由生物分子组成的，而蛋白质是所有细胞的主要成分和“工作马”。“解开蛋白质的结构和功能是后基因组时代最具挑战性的目标之一，”ASU化学和生物化学教授佩特拉·弗洛姆(Petra Fromme)说，他是纳米晶体学研究的第二作者。

她解释说，所有蛋白质中有30%是不可溶的，而是嵌在膜中。“这些膜蛋白是所有活细胞功能的主要参与者，是超过50%的药物的目标，然而，科学家们缺乏关于它们的结构和功能的信息。虽然迄今为止已经确定了6万多种可溶性蛋白结构，但已知的膜蛋白结构只有256种，其中只有4种是人类膜蛋白。”他是亚利桑那州立大学新成立的传染病膜蛋白研究中心的主任，该中心是美国国立卫生研究院为破译膜蛋白结构而建立的9个中心之一。

她说：“这项在《自然》杂志上报道的里程碑式的研究为解决蛋白质结构开辟了一条新途径，并将在许多领域产生巨大影响，包括清洁能源和医疗领域的发展。”。“蛋白质结构的测定将导致开发抗癌症和传染病的新药，其方法是制造与蛋白质催化中心相匹配的药物，就像锁中的一把完美钥匙。”

对于2009年12月在加利福尼亚州SLAC进行的纳米相学实验，福罗姆在ASU的实验室提供了光系统I的纳米晶体，这是一种由100000多个原子组成的大型膜蛋白复合体，在有氧光合作用过程中充当生物太阳能转换器。

弗洛姆解释说，蛋白质晶体含有大量液体，“非常脆弱，就像阳光下的一片黄油。”“只要你一碰它们，它们就会被摧毁。”她的团队花了13年的时间开发出培养大的、高质量的光系统I复合体晶体的方法，使他们在2001年确定了它的分子结构。

在直线加速器相干光源的纳米晶体实验中，研究小组使用了数千个光系统I纳米晶体。该实验的意义有可能彻底改变蛋白质晶体学领域，《自然》杂志的论文《飞秒x射线蛋白质纳米晶体学》对此进行了报道。

“这些实验有可能成为本年度最令人震惊的科学发展之一，”亚利桑那州立大学物理系主席罗伯特·内曼尼奇说。

小喷嘴射中目标

在衍射物理学方面有丰富经验的斯宾塞研究员带领亚利桑那州立大学团队开发了蛋白质束注入器，这是一种微型设备，在SLAC向脉冲硬x射线束发射蛋白质溶液流。2020欧洲杯下注官网

“LCLS的实验运行超出了所有的预期，”亚利桑那州立大学物理学教授r·布鲁斯·多克(R. Bruce Doak)说。他在超音速原子和分子束科学方面有30多年的经验。欧洲杯线上买球在2009年12月的实验中，他写道:“亚利桑那州立大学的液体射流性能完美无缺。我们组装了一个双储液器供应系统，可以在不关闭流量的情况下切换样品，喷嘴已经连续运行了50多个小时。

“早期，我们建立了微晶石光系统I的样品浓度，该系统几乎每一个X射线脉冲都能产生X射线衍射图案–每秒30张衍射图像！在此之前，这里没有人见过像100%命中老鼠这样的东西，更不用说持续数天了；到目前为止，已存储了300多万张衍射图像。衍射图像多克写道，他也是《自然纳米相学》论文的作者。

学生是国际努力的一部分

其他来自亚利桑那州立大学物理系的作者包括研究教授Uwe weerstall;Kevin E. Schmidt教授;博士生Richard A. Kirian;以及博士生王晓宇(音译)。来自亚利桑那州立大学化学和生物化学系的团队成员包括博士生马克·s·亨特(Mark S. Hunter);以及教员研究助理英格·格罗特约翰和莱蒙德·弗洛姆。

“理查德·基里安（Richard Kirian）和马克·亨特（Mark Hunter）在飞秒结晶学项目上工作了几年，他们是ASU跨学科领域优秀研究生的典范，”佩特拉·弗洛姆（Petra Frome）说。“Mark在其博士研究中培育了所有用于实验的光系统I晶体，并开发了蛋白质纳米晶体生长和生物物理表征的新方法和技术，Richard在其博士研究中开发了评估和分析纳米相学数据的新方法。”

领导国际研究努力和纳米晶体学论文的主要作者是德国DESY的亨利·n·查普曼。其中，来自20多家机构的研究团队包括瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University)的雅诺斯·哈伊杜(Janos Hajdu)、M.马文·塞伯特(M. Marvin Seibert)、托马斯·埃克伯格(Tomas Ekeberg)和菲利普·R.N.C.迈亚(Filipe R.N.C. Maia)。同一周在SLAC进行的第二次实验的结果发表在《自然》杂志的论文《用x射线激光截获和成像单个mimivirus粒子》上。欧洲杯猜球平台

“现在是飞秒衍射成像的早期阶段，”Spence指出，他提供了理论和大量的数据分析。“但初步迹象表明，现在可以通过这种方法在纳米尺度上获得高分辨率数据。如果我们确实可以“逃脱”以这种方式许多辐射损伤过程,它将打开未来laser-excited实验样品,3 d图像重建和许多其他实验快速成像,所有指向获得电影显示分子的大挑战在工作。”

研究吸引资金

Spence是首席研究员，Fromme、Doak、weerstall和Schmidt是最近获得美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助的研究电子转移动力学的共同研究员。欧洲杯线上买球这项拨款的主要目的是通过光诱导时间分辨飞秒晶体学，揭示膜蛋白复合物光系统I和可溶性电子受体蛋白铁还蛋白之间的蛋白质间电子转移所涉及的构象变化。

Fromme领导的另一个团队包括Spence、Doak、weerstall、Schmidt和Alexandra Ros，后者是化学助理教授，获得了美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)提供的一笔新拨款，用于进一步研究膜蛋白的飞秒纳米晶体学。这项拨款的目的是进一步发展这种新方法，它可能会彻底改变结构生物学领域。也就是说，为这项资助而开发的创新肯定会产生令人兴奋的、全新的研究活动，”亚利桑那州立大学化学和生物化学系主席威廉·佩图斯基(William Petuskey)说。

资料来源：http://www.asu.edu/