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X射線晶體學(xué) 照出新冠病毒感染機(jī)制

2020-03-30 17:11:55來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：X射線晶體學(xué)閱讀量：5066

導(dǎo)讀：雖然已經(jīng)知道2019新型冠狀病毒長(zhǎng)什么樣，但對(duì)病毒結(jié)構(gòu)研究來說，這只是起點(diǎn)。為了了解新冠病毒感染人體的機(jī)制，研究者必須更深入地解析病毒的微觀結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　【儀器網(wǎng) 時(shí)事聚焦】造成此次新型肺炎的元兇——2019新型冠狀病毒(2019-nCoV)已經(jīng)在大量的新聞報(bào)道與科普中為人所熟知。這種病毒的模樣從它的名字就可以窺見一二，與十幾年前的SARS病毒相似，在顯微鏡觀察下都可以看到明顯的形如歐洲皇冠的棒狀粒子凸起。雖然已經(jīng)知道病毒長(zhǎng)什么樣，但對(duì)病毒結(jié)構(gòu)研究來說，這只是起點(diǎn)。為了了解新冠病毒感染人體的機(jī)制，研究者必須更深入地解析病毒的微觀結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　病毒感染正常細(xì)胞的過程大致可分為三個(gè)步驟：入侵、基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄、生產(chǎn)病毒蛋白并組裝成新的病毒。不同蛋白質(zhì)在這一過程中發(fā)揮著不同作用，例如病毒表面的刺突糖蛋白(S蛋白)是病毒入侵宿主細(xì)胞的關(guān)鍵。沒有S蛋白與宿主細(xì)胞白表面受體分子的結(jié)合，病毒包膜就無法與宿主細(xì)胞細(xì)胞膜融合，也就無法造成感染。因此分析S蛋白結(jié)構(gòu)，研究它如何識(shí)別余結(jié)合受體細(xì)胞對(duì)于治療新冠肺炎有非常重要的意義。

　　目前，蛋白結(jié)構(gòu)成像分析技術(shù)主要由三種：核磁共振、冷凍電鏡與X射線晶體學(xué)。其中X射線晶體學(xué)更為常用，1月26日公布的2019-nCoV冠狀病毒3CL水解酶的高分率晶體結(jié)構(gòu)就是應(yīng)用這種方法得到的研究成果。

　　1912年，德國(guó)科學(xué)家勞厄等人觀察到X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，直接推動(dòng)了X射線波譜學(xué)和X射線晶體學(xué)的建立，讓人類得以從微觀角度研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)。隨后英國(guó)物理學(xué)家布拉格推導(dǎo)出布拉格方程，描述了X射線波長(zhǎng)與晶面間距之間的關(guān)系，利用X射線進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析成為現(xiàn)實(shí)。自此之后，X射線晶體學(xué)迅速發(fā)展，將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定從細(xì)胞水平向分子水平甚至原子水平推進(jìn)。

　　X射線晶體學(xué)探測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的原理在于：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)結(jié)晶時(shí)，其分子會(huì)周期性的排列成類似晶格的結(jié)構(gòu)。而X射線穿過這類結(jié)構(gòu)后會(huì)發(fā)生衍射，衍射光束的角度和強(qiáng)度產(chǎn)生衍射圖樣。解析衍射圖樣就可以推測(cè)出該蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　在病毒蛋白結(jié)構(gòu)測(cè)定中，首先需要對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)晶。相對(duì)于冷凍電鏡，蛋白質(zhì)結(jié)晶是X射線晶體學(xué)的難點(diǎn)，在實(shí)際操作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)晶困難或者結(jié)出的晶體無法滿足X射線衍射條件的情況。得到結(jié)晶之后，樣品需要在同步加速器利用同步輻射X射線進(jìn)行轟擊然后收集數(shù)據(jù)。同步加速器作為一種“大科學(xué)裝置”主要由政府資助建設(shè)，有條件進(jìn)行X射線晶體學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)室并不多。

　　針對(duì)2019-nCoV的研究于2月2日在上海應(yīng)用物理所的“上海光源”進(jìn)行。作為第三代同步輻射光源，“上海光源”是國(guó)內(nèi)性能好的光源。為了抗擊新冠肺炎，“上海光源”開通綠色通道提前開機(jī)，為新冠病毒微觀結(jié)構(gòu)的研究提供先進(jìn)的技術(shù)支持。除了S蛋白，研究者還對(duì)幫助病毒組裝的N蛋白進(jìn)行了分析，用于研制更快速的病毒檢測(cè)試條以及為抗病毒藥物的研究提供幫助。

　　為期三天的“上海光源”X射線晶體學(xué)分析已經(jīng)結(jié)束，目前還沒有新的研究成果公布。但我們應(yīng)該對(duì)我國(guó)的科研人員與科研技術(shù)抱有信心，相信科學(xué)家們能找到應(yīng)對(duì)新冠病毒的方法，相信這次的疫情一定會(huì)過去，相信會(huì)有更好的未來。

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