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單分子成像：結構生物學的未來
日期：2026-04-16 08:11
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摘要：
結構到功能的研究對生物學領域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結構后，結構生物學幫助科學家們解析出了更多的生物大分子的結構，解決了很多生物學的根基上的問題。然而，結構生物學的發(fā)展受到了技術層面上的重大瓶頸。新技術的出現(xiàn)，將對結構生物學的發(fā)展帶了跨越式的進展。
傳統(tǒng)的結構解析方法是X光衍射和核磁共振成像（NMR）。X光衍射（X-ray），通過高能的X光轟擊生物大分子的晶體，可以獲得電子密度的信號，從而可以構建出大分子的三維坐標，可以解析相對較大的分子構象。但是，X-ray成像的方法有著一定的缺陷，...
結構到功能的研究對生物學領域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結構后，結構生物學幫助科學家們解析出了更多的生物大分子的結構，解決了很多生物學的根基上的問題。然而，結構生物學的發(fā)展受到了技術層面上的重大瓶頸。新技術的出現(xiàn)，將對結構生物學的發(fā)展帶了跨越式的進展。
傳統(tǒng)的結構解析方法是X光衍射和核磁共振成像（NMR）。X光衍射（X-ray），通過高能的X光轟擊生物大分子的晶體，可以獲得電子密度的信號，從而可以構建出大分子的三維坐標，可以解析相對較大的分子構象。但是，X-ray成像的方法有著一定的缺陷，首先是X光衍射需要獲得大分子的晶體，這相當之難，同時晶體狀態(tài)下的大分子構象可能并不是生物活性狀態(tài)，而且該方法沒辦法解決更大型的分子。而NMR成像利用氫原子核在強磁場下的共振獲得信號，可以在溶液狀態(tài)下解析出分子的三維結構。但是NMR受限于強磁場的強度，只能解析較小的生物大分子，也限制了結構生物學的發(fā)展。
因為結構生物學希望能夠獲得更大型、多聚體、復合物的生物活性狀態(tài)下的結構，X-ray和NMR都存在著天然的缺陷。然而，早已出現(xiàn)的電子顯微鏡（EM）卻在近些年來廣泛用于結構生物學領域，讓古老的技術放出了新的活力。更敏感的電子檢測探頭的出現(xiàn)，更高效準確的計算重構方法，讓該技術更有潛力。該方法不需要大分子形成晶體，結合其他的樣本準備方式，冷凍蝕刻電鏡已經(jīng)成為了單分子成像領域的熱門，可以用來解析超過50千道爾頓到數(shù)千千道爾頓的**技術。但是，該方式也存在著一個問題就是，該方法解析出的結構是分子的平均構象，讓得到的機構更加模糊。該問題對于X-ray和NMR也同樣存在。
然而 Longchamp等人開發(fā)出了一種新的結構解析方法，基于單分子的成像，可以解析出單個分子的結構信息，而不平均的構象。該方法需要特殊的樣本準備方法。需要利用離子束將樣本在超真空環(huán)境下的超清潔的石墨烯平面上軟著陸。因為石墨烯的穩(wěn)健的強度，對電子束超好的透明性，使其成為了生物成像領域的新寵兒，還被用于了**的冷凍蝕刻電鏡成像。與電鏡成像不同，該新方法使用傳統(tǒng)的相對較弱的電子束，來產生成像信號，避免高強度電子束對于樣本的損壞。同時，基于CCD的電子檢測器可以高效收集電子的散射信號。超清潔的石墨烯基質至關重要，因為全息成像需要**地減去背景的電子信號噪音。CCD獲得電子信號后通過數(shù)學方法可以重構出單分子的結構圖。
Longchamp等人發(fā)明的單分子全息電子散射成像的方法有著很多好處，首先是需要的電子束要求不高，所以不會很貴，而且不需要形成晶體來成像。同時，低能量電子也不會對樣品造成太大的破環(huán)。而可以重構單分子的三維結構，而不是平均結構，這樣可以抓住蛋白質等大分子的多種狀體下的三維結構，這對于結構生物學和生物物理學意義非凡。當然，該方法目前只能獲得低精度的結構，更加嚴格的數(shù)學方法將幫助該方法，來獲得更好的結構。
盡管現(xiàn)在冷凍蝕刻電鏡（Cryo-EM）正如日中天，單分子全息成像的技術卻更能代表結構生物學的未來?；蛟S結構生物學的大發(fā)展就在不遠的未來。
