光學(xué)激光器可用于對準復(fù)雜的生物分子，實現(xiàn)單分子成像

近日，德國電子同步加速器(DESY)自由電子激光科學(xué)中心的研究人員與國際同行合作，在單粒子衍射成像(SPI)技術(shù)領(lǐng)域取得重要進展。該技術(shù)利用X射線自由電子激光重建納米粒子和生物分子的三維結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)方法需對數(shù)十億個粒子成像，且圖像清晰度受限。此次研究通過激光誘導(dǎo)取向技術(shù)顯著改善了分子成像效果，為解析蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu)開辟新路徑。

激光誘導(dǎo)取向技術(shù)基于分子各向異性極化率與激光脈沖電場的相互作用。激光脈沖在分子中誘導(dǎo)瞬態(tài)電偶極矩，使其跟隨電場方向旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)分子軸與激光偏振方向的最優(yōu)對齊，從而在空間中固定分子取向。這一技術(shù)有效克服了單粒子衍射成像中分子隨機取向?qū)е碌?D重建難題。

研究團隊通過計算驗證，當前標準激光技術(shù)可對納米顆粒和蛋白質(zhì)實現(xiàn)強取向。分析國際蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(PDB)中15萬種蛋白質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)蛋白質(zhì)在實際實驗條件下均可被有效取向，顯著提升其在單粒子衍射實驗中的可見性。相關(guān)成果已發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。

此外，研究人員預(yù)測，將分子冷卻至低溫(該團隊正在推進的技術(shù))可進一步增強分子排列，減少輻射損傷，優(yōu)化成像效果。這一突破對結(jié)構(gòu)生物學(xué)和納米技術(shù)意義重大，有望推動藥物研發(fā)、生物分子研究和材料科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。

未來，研究團隊計劃將激光技術(shù)與XFEL成像結(jié)合，目標實現(xiàn)亞納米級分辨率，助力分子動力學(xué)的實時可視化，為科學(xué)研究提供更精細的工具。