X射线晶体学 照出新冠病毒感染机制

91仪器信息网 造成此次新型肺炎的元凶 2019新型冠状病毒(2019-nCoV)已经在大量的新闻报道与科普中为人所熟知。这种病毒的模样从它的名字就可以窥见一二，与十几年前的SARS病毒相似，在显微镜观察下都可以看到明显的形如欧洲皇冠的棒状粒子凸起。虽然已经知道病毒长什么样，但对病毒结构研究来说，这只是起点。为了了解新冠病毒感染人体的机制，研究者必须更深入地解析病毒的微观结构，特别是关键蛋白的结构。
  病毒感染正常细胞的过程大致可分为三个步骤：入侵、基因组复制和转录、生产病毒蛋白并组装成新的病毒。不同蛋白质在这一过程中发挥着不同作用，例如病毒表面的刺突糖蛋白(S蛋白)是病毒入侵宿主细胞的关键。没有S蛋白与宿主细胞白表面受体分子的结合，病毒包膜就无法与宿主细胞细胞膜融合，也就无法造成感染。因此分析S蛋白结构，研究它如何识别余结合受体细胞对于治疗新冠肺炎以及研制疫苗有非常重要的意义。
  目前，蛋白结构成像分析技术主要由三种：核磁共振、冷冻电镜与X射线晶体学。其中X射线晶体学更为常用，1月26日公布的2019-nCoV冠状病毒3CL水解酶的高分率晶体结构就是应用这种方法得到的研究成果。
  1912年，德国科学家劳厄等人观察到X射线在晶体中的衍射现象，直接推动了X射线波谱学和X射线晶体学的建立，让人类得以从微观角度研究物质结构。随后英国物理学家布拉格推导出布拉格方程，描述了X射线波长与晶面间距之间的关系，利用X射线进行晶体结构分析成为现实。自此之后，X射线晶体学迅速发展，将蛋白质结构的测定从细胞水平向分子水平甚至原子水平推进。
  X射线晶体学探测蛋白质结构的原理在于：当蛋白质结晶时，其分子会周期性的排列成类似晶格的结构。而X射线穿过这类结构后会发生衍射，衍射光束的角度和强度产生衍射图样。解析衍射图样就可以推测出该蛋白的结构。
  在病毒蛋白结构测定中，首先需要对蛋白质进行结晶。相对于冷冻电镜，蛋白质结晶是X射线晶体学的难点，在实际操作中经常会出现蛋白质结晶困难或者结出的晶体无法满足X射线衍射条件的情况。得到结晶之后，样品需要在同步加速器利用同步辐射X射线进行轰击然后收集数据。同步加速器作为一种 大科学装置 主要由政府资助建设，有条件进行X射线晶体学分析的实验室并不多。
  针对2019-nCoV的研究于2月2日在上海应用物理所的 上海光源 进行。作为第三代同步辐射光源， 上海光源 是国内性能优良的光源。为了抗击新冠肺炎， 上海光源 开通绿色通道提前开机，为新冠病毒微观结构的研究提供先进的技术支持。除了S蛋白，研究者还对帮助病毒组装的N蛋白进行了分析，用于研制更快速的病毒检测试条以及为抗病毒药物的研究提供帮助。
  为期三天的 上海光源 X射线晶体学分析已经结束，目前还没有新的研究成果公布。但我们应该对我国的科研人员与科研技术抱有信心，相信科学家们能找到应对新冠病毒的方法，相信这次的疫情一定会过去，相信会有更好的未来。