「新型 X 射線激光衍射測定蛋白質結構」與傳統 X 射線衍射的區別有哪些? | 知乎問答精選

 

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「新型 X 射線激光衍射測定蛋白質結構」與傳統 X 射線衍射的區別有哪些?

2016年11月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 31 ℃ 次

【menz的回答(10票)】:

獲得蛋白結構對解釋生物反應機理、合理設計藥物至關重要。目前傳統X射線衍射的方法是最成熟,也是最主要採用的獲得蛋白結構的方法。但解出準確的蛋白空間結構,前提是獲得質量較好、體積夠大的蛋白質晶體,而很多蛋白難以結晶,或結晶的質量難以滿足該條件。正如@劉中陽 所說,這種新型X射線衍射的方法能夠產生信號足夠強的射線,這樣,即使我們只結晶出很小的晶體,也能用於研究、解出蛋白結構了。

2012年年初,美國科學家製造出了世界上波長最短、單色純度的第一束原子X射線激光,他們通過強大的X射線激光,從位於密封艙中的氖原子內層中敲除電子。當其他電子再回落填補那些位置時,大約有1/50的原子通過發出一束X射線回應。這些X射線接著又激發臨近的氖原子,隨之產生了更多的X射線,如此的多米諾效應將原始X射線激光放大了2億倍。這種強大的X射線激光(x-ray free-electron lasers,XFELs)能用於多個方面,此番德國的科學家們就將其用在了蛋白結晶技術上——他們利用XFELs確定了一種關鍵酶(半胱氨酸組織蛋白酶,cysteine protease cathepsin)的結構。這些酶能形成幾微米長,不到一微米寬的細長結晶結構。由於這種結晶體積太小,用環形粒子加速器產生的相對弱的X射線束無法進行研究,因此這一研究組採用了世界上首個XFEL,解析這一蛋白結構,獲得了這一蛋白前所未有的清晰結構。同時這項研究也指出了XFEL的另外一個優點——能在同步加速器上研究的最小結晶結構,會受到X射線的破壞,即使是在數據積累的時候。研究人員認為利用XFEL能收集到無損數據。

來源:科學網,超強X射線激光技術揭示蛋白原子結構

【任浩的回答(2票)】:

Science Magazine: Sign In

X-ray diffraction has long been the mainstay of structural biology. When many copies of a molecule are arranged in an orderly array called a crystal lattice, they scatter the x-rays from an incoming beam in concert. The pattern of scattering reveals the structure of the crystal, including that of the molecule. Using circular particle accelerators called synchrotrons to generate x-rays, biologists have determined tens of thousands of protein structures.

Some proteins, such as those found in cell membranes, do not readily form crystals big enough to be studied with synchrotrons, however. So, scientists hope they can probe those tough cases with new x-ray lasers, which are powered by straight-shot linear accelerators and shine a billion times brighter than synchrotron sources. In November, researchers unveiled the first protein structure revealed with such a laser.

Working with the Linac Coherent Light Source (LCLS) at SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, California, researchers from Germany and the United States determined the structure of the inactive 「precursor」 form of an enzyme that's key for the survival of the single-celled parasite that causes African sleeping sickness, Trypanosoma brucei. To produce micrometer-sized crystals of the enzyme, they overexpressed it in cultured cells. They dropped the crystals through the beam of the LCLS, which turned on in 2009. A pulse of x-rays would obliterate a crystal even as it produced a diffraction pattern. Adding up 178,875 individual patterns, researchers determined the precursor's structure, which includes a kind of molecular safety cap that deactivates it. That information could help scientists find a drug to tie up the active form of the enzyme.

【YangEninala的回答(10票)】:

一般來說,X射線晶體衍射確定蛋白質結構分為如下幾個步驟:分子克隆,蛋白表達與純化,蛋白結晶和收集衍射數據。前兩個步驟的技術現在已經日趨成熟,而高強度的X射線能夠幫助克服後兩個步驟中存在的技術障礙。

先說蛋白質結晶吧,這應該是crystallographer們最頭疼的問題了。一個結構生物學的博士,五年中可能有三年都是在尋找結晶條件。而如果有一個好的晶體,課題就結束一半了。那麼什麼是好的晶體呢?

晶體根據其結晶形狀,大致分這麼幾種:

Diamond:

Cube:Cube:

Needle:Needle:

如果你長出來的晶體是前兩種呢,而且比較大,你就可以慶祝了,因為這兩種晶體的衍射數據一般都比較好。但是如果是第三種呢,呵呵。。。大部分時間你是拿不到好的衍射數據的。除了上述三種單晶,其實還有其他的晶體,比如說孿晶(多個晶體長在了一起),這種晶體就更不能去做衍射了。

即使Needle和孿晶長得比較大,為什麼他們的衍射數據差呢?我們要從晶體衍射說起了。晶體衍射就是用X射線照射晶體。晶體中分子規則排列,這時的晶體就是一個光柵,照入的X射線就會產生衍射。孿晶中蛋白質分子在局部是規則排列的,但在整體上不是,所以孿晶不是一個好的光柵。當蛋白質晶體大的時候,X射線通過的路徑長,衍射發生的更充分,得到的衍射數據也就更好。另外呢,設計衍射數據不是照一下就完了,我們需要的是蛋白質的3D結構,所以為了得到這些信息,我們要用X射線轉著圈的照晶體。對於Needle來說,照到截面比較窄的地方,衍射數據就差了。

高強度的X射線在一定程度上解決了獲取Needle或者比較小的晶體衍射圖樣的問題。雖然衍射路徑短,但是射線強度高,也能得到較好的衍射圖樣。對於孿晶就無能為力了,除非能把孿晶中的小單晶手工剝離出來。同時,用高強度射線可以拿到已有晶體更好的衍射圖樣,進而提高蛋白質結構分辨率,對於大分子蛋白或者復合體的結構解析有幫助,比如ribosome。

另外談一談無損衍射吧。在這麼高的強度下是不可能存在真正的無損衍射的。一個蛋白晶體在高強度的X射線(遠高於普通synchrotron的強度)下估計存活不了太長時間。這裡所指的無損,並不是說蛋白質晶體在收集數據以後還是完好無損的,而是說在蛋白質晶體玩兒完之前,就能夠收集到足夠的數據。所以你收集數據時,蛋白晶體是完好的,能夠產生最好的信號,但是收集結束後蛋白晶體是什麼狀態就沒有保證了。沒有仔細看原始文獻,但是我想他們如果想收一組數據,可能需要不止一個晶體吧。

補充:剛剛看了一下 @任浩引用science的介紹。「A pulse of x-rays would obliterate a crystal even as it produced a diffraction pattern. Adding up 178,875 individual patterns, researchers determined the precursor's structure, which includes a kind of molecular safety cap that deactivates it.」 確認了我上一段晶體會損壞的想法,同時,他們用了178,875個微晶體收了一套數據。CRAAAAZY!!!

另外展望一下這個技術的發展前景。以前聽過UWM一個生物(輕讀)物理(重讀)學家的報告,他理想的實驗是用單分子,無需結晶。這時需要的射線強度足以打破化學鍵,但是化學鍵破裂是需要時間的,如果能在化學鍵破裂之前拿到數據(已經不是衍射數據了吧)就算成功了。聽著比較科幻,不知道哪年能實現。

【double木的回答(0票)】:

1.超高亮度、飛秒(

秒)級脈衝時間結構、完全時空相干性和波長可調諧性等

2.X射線自由電子激光的空間相干性,可以對生物大分子內部結構的變化過程進行全息攝影,從而瞭解三維結構的動態演化過程,使蛋白質結構解析以及功能相關的研究獲得突破

3.文章裡提到「無損」衍射,表明對於晶體的損傷小,甚至可以忽略不計,而傳統的X-射線衍射對晶體的損傷相比較大。

4.該方法所需要的晶體的大小與傳統的衍射的比小很多。傳統的衍射需要適合衍射的晶體,而這種晶體的獲得通常不太容易。

不過,目前在蛋白質結構的技術中傳統的X-射線單晶衍射還是最主流的!

標籤:-科技 -生物學 -物理學 -光學 -激光


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