同步辐射与生命组织结构研究.docx

同步辐射与生命组织结构研究同步辐射是指由同步加速器产生的高速运动电子在做曲线运动时，因外加磁场作用于电子运动轨迹的切线方向而产生的电磁辐射。其光谱波段覆盖从远红外到硬X射线的范围。同步辐射装置属于大科学设施，目前全世界大约有70个左右，主要提供高品质的X射线。X射线与物质作用可发生散射/衍射、吸收/透射、光电作用等现象。由于同步辐射X射线具有亮度高、空间相干性好、光谱连续可调等特点，因而基于同步辐射的X射线晶体衍射/相干衍射、X射线小角散射、x射线影像（吸收、相衬成像/显微断层扫描）、X射线光谱学等方法及应用获得了长足的发展，为越来越多的科学研究提供了重要的技术支撑。在生命科学中，生命组织是分层次的。从分子、细胞、组织、器官，进而个体、种群，“结构与功能”这一主题贯穿于各个层次。在微观层面，同步辐射X射线晶体学已经是蛋白质结构生物学研究中不可或缺的主要方法，而X射线相干衍射成像便于为观察细胞、病毒进行有益的探索。在宏观层面，以同步辐射显微CT为代表的同步辐射影像技术，展示了若干脏器的内部三维解剖结构和重要生理活动过程，而对化石物种精细解剖结构的揭示又为物种起源与演化提供了关键证据。本文对相关进展作一简略。在微观层次结构与功能研究中的应用蛋白质、核酸等是实现生命活动的基本生物大分子，细胞是绝大多数生物的基本功能单位。同步辐射X射线晶体衍射和X射线小角散射（small-angleX-rayscattering，SAXS）是认识生物大分子结构之重要方法：前者提供原子坐标下的蛋白质分子三维结构，揭示原子分辨率水平的蛋白质分子中各结构域、蛋白质复合物或蛋白质靶点与药物小分子相互作用的细节：通过SAXS可观察溶液里生物大分子构象的变化，如蛋白质的组装、折叠等动态过程。而在细胞学研究中，X射线相干衍射成像等可能是对现有方法之有益补充。利用我国唯一的第三代同步辐射大科学装置——上海光源。我国科学家自2022年5月以来解析的蛋白质晶体结构数已超过1000个，有30多篇论文发表在国际上的《自然》《科学》和《细胞》期刊上。例如，禽流感病毒外壳的血凝素蛋白介导了宿主识别，其进化与变异是导致禽流感病毒跨宿主传播之主要原因，Q226L氨基酸突变可导致宿主识别的转变。2022年2月我国暴发禽流感，我国科研人员对分离获得的H7N9高致病性禽流感病毒安徽株和上海株血凝素蛋白及其突变体分别进行了禽源、人源受体的复合蛋白质结构研究。结果显示。除Q226L氨基酸突变外还有其他多个氨基酸参与安徽毒株的人源受体结合能力，这种能力可能是其普遍性人际传播流行的重要原因之一。蛋白质晶体学研究要求实验材料必须是晶体；非晶体样品的衍射图样是连续微弱的衍射信号，而不是离散布拉格衍射点，因此X射线晶体学不再适用。但基于对布拉格衍射峰之间信号过采样原理发展起来的x射线相干衍射成像（coherentdiffractionimaging，CDI），可实现对非晶体样品几十纳米分辨率的成像。利用CDI方法，研究人员已获得22纳米分辨率的鼠疱疹病毒的电子密度图像、50纳米分辨率的酵母细胞的三维结构等。根据不同电子密度可清晰复原单个酵母内部细胞核、线粒体、液泡等细胞器。这对现有光学成像（如激光共聚焦显微镜）在z轴方向上分辨率较低导致单个细胞三维影像失真的现象是有益的补充。在生物医学研究中的应用临床上，计算机x射线断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和正电子扫描（PET）成像等已广泛用于常规诊断：而基础研究中实验动物的空间尺寸和生理参数与人体有很大差异（如小鼠平均心跳频率约为600次/分，平均呼吸频率160次/分，分别是人对应频率的8-10倍），已不是临床影像学的简单延伸可以满足。以同步辐射显微CT（synchrotronradiationmicrotomography，SR-uCT）为代表的同步辐射影像具高时空分辨的特点。由于同步辐射X射线光子通量高于普通X射线2-3个数量级，大大降低了单次曝光时间，因而提高了帧频，实现了快速动态成像（现在对2048x2048像素大小的图像可做到几十赫的采样频率）；其空间分辨率在微米-亚微米级，远优于MRI。同步辐射X射线不但可进行高品质吸收成像，也可很好地实现相衬成像。x射线穿过样品后振幅和相位都会改变，把相位变化转化为强度并记录下来就是相位衬度成像（简称相衬成像）。图像衬度取决于X射线光子通量、相干性和样品的原子组成。原子序数越小则衬度越好，对生物软组织而言，相移截面约是吸收截面的1000倍，而同步辐射X射线的高光子通量和准相干特性使其在生物软组织相衬成像中独具优势。利用同步辐射影像技术，国内外科研人员已在肺部结构与功能、脑血管构筑、肿瘤血管新生、骨组织病变和医用生物材料、药物新剂型等研究中取得显著进展。这里分别就二维动态相衬成像、SR-uCT、时间分辨的动