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單分子成像：結構生物學的未來
日期：2025-07-03 17:53
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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，結構生物學的發展受到了技術層面上的重大瓶頸。新技術的出現，將對結構生物學的發展帶了跨越式的進展。
傳統的結構解析方法是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，結構生物學的發展受到了技術層面上的重大瓶頸。新技術的出現，將對結構生物學的發展帶了跨越式的進展。
傳統的結構解析方法是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，同時晶體狀態下的大分子構象可能并不是生物活性狀態，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下的結構，X-ray和NMR都存在著天然的缺陷。然而，早已出現的電子顯微鏡（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，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50千道爾頓到數千千道爾頓的優選技術。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境下的超清潔的石墨烯平面上軟著陸。因為石墨烯的穩健的強度，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學方法可以重構出單分子的結構圖。
Longchamp等人發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。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，更加嚴格的數學方法將幫助該方法，來獲得更好的結構。
盡管現在冷凍蝕刻電鏡（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。或許結構生物學的大發展就在不遠的未來。
