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X射線晶體學照出新冠病毒感染機制

2020-03-30 17:11:55來源：儀器網(wǎng)關鍵詞：X射線晶體學閱讀量：5276

　　【儀器網(wǎng) 時事聚焦】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)知道病毒長什么樣，但對病毒結構研究來說，這只是起點。為了了解新冠病毒感染人體的機制，研究者必須更深入地解析病毒的微觀結構，特別是關鍵蛋白的結構。

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

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

　　1912年，德國科學家勞厄等人觀察到X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，直接推動了X射線波譜學和X射線晶體學的建立，讓人類得以從微觀角度研究物質結構。隨后英國物理學家布拉格推導出布拉格方程，描述了X射線波長與晶面間距之間的關系，利用X射線進行晶體結構分析成為現(xiàn)實。自此之后，X射線晶體學迅速發(fā)展，將蛋白質結構的測定從細胞水平向分子水平甚至原子水平推進。

　　X射線晶體學探測蛋白質結構的原理在于：當?shù)鞍踪|結晶時，其分子會周期性的排列成類似晶格的結構。而X射線穿過這類結構后會發(fā)生衍射，衍射光束的角度和強度產生衍射圖樣。解析衍射圖樣就可以推測出該蛋白的結構。

　　在病毒蛋白結構測定中，首先需要對蛋白質進行結晶。相對于冷凍電鏡，蛋白質結晶是X射線晶體學的難點，在實際操作中經(jīng)常會出現(xiàn)蛋白質結晶困難或者結出的晶體無法滿足X射線衍射條件的情況。得到結晶之后，樣品需要在同步加速器利用同步輻射X射線進行轟擊然后收集數(shù)據(jù)。同步加速器作為一種“大科學裝置”主要由政府資助建設，有條件進行X射線晶體學分析的實驗室并不多。

　　針對2019-nCoV的研究于2月2日在上海應用物理所的“上海光源”進行。作為第三代同步輻射光源，“上海光源”是國內性能好的光源。為了抗擊新冠肺炎，“上海光源”開通綠色通道提前開機，為新冠病毒微觀結構的研究提供先進的技術支持。除了S蛋白，研究者還對幫助病毒組裝的N蛋白進行了分析，用于研制更快速的病毒檢測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射線晶體學分析已經(jīng)結束，目前還沒有新的研究成果公布。但我們應該對我國的科研人員與科研技術抱有信心，相信科學家們能找到應對新冠病毒的方法，相信這次的疫情一定會過去，相信會有更好的未來。

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