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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(guān)鍵詞：X射線晶體學閱讀量：5119

導讀：雖然已經(jīng)知道2019新型冠狀病毒長什么樣，但對病毒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　【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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　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(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)是病毒入侵宿主細胞的關(guān)鍵。沒有S蛋白與宿主細胞白表面受體分子的結(jié)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(jié)構(gòu)，研究它如何識別余結(jié)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(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。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(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)。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(guān)系，利用X射線進行晶體結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)的原理在于：當?shù)鞍踪|(zhì)結(jié)晶時，其分子會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)后會發(fā)生衍射，衍射光束的角度和強度產(chǎn)生衍射圖樣。解析衍射圖樣就可以推測出該蛋白的結(jié)構(gòu)。

　　在病毒蛋白結(jié)構(gòu)測定中，首先需要對蛋白質(zhì)進行結(jié)晶。相對于冷凍電鏡，蛋白質(zhì)結(jié)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(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(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，為新冠病毒微觀結(jié)構(gòu)的研究提供先進的技術(shù)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(jié)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(shù)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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