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基于同步辐射的串行晶体学实验技术：原理、进展与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

生物大分子在生命过程中扮演着核心角色，其结构的解析对于理解生命活动的基本机制、揭示疾病发生发展的原理以及开发新型药物和治疗方法具有关键作用。X射线晶体学作为解析生物大分子结构的重要手段，在过去几十年中取得了巨大的进展，蛋白质数据库（ProteinDataBank，PDB）中约90％的结构都是通过X射线晶体学方法得到的。然而，传统的X射线晶体学方法对晶体的质量和尺寸有着严格要求，对于一些特殊的蛋白，如膜蛋白，常常难以获得高质量的晶体。此外，对于尺寸较小的晶体，在X射线照射过程中容易受到辐射损伤，进而导致蛋白质结构发生改变，这极大地限制了传统方法在这些情况下的应用。

随着科学技术的不断进步，X射线自由电子激光（X-FEL）技术的出现为解决这些问题带来了曙光。X-FEL产生的飞秒级X射线脉冲，使得在辐射损伤发生前就能完成实验数据的采集，即“损坏前衍射（Diffract-Before-Destroy）”，有效解决了辐射损伤的难题。同时，该技术能够采集小于几微米的晶体数据，突破了传统X射线晶体学方法对晶体尺寸的限制。在X射线串行飞秒晶体学（SerialFemtosecondCrystallography，SFX）成功的基础上，串行晶体学在同步辐射上的应用逐渐受到关注。

同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高准直性等优异特性，与X-FEL相比，其具有更广泛的可用性和相对较低的运行成本。若能成功发展基于同步辐射的串行晶体学技术，将充分利用现有的同步辐射实验资源进行串行晶体学实验，为更多科研人员提供研究生物大分子结构的有力工具。2014年，Stellato等在原理上证明了同步辐射串行晶体学的可行性，此后人们开始积极尝试将SFX中的上样方法应用到基于同步辐射的串行晶体学实验中。

串行晶体学实验技术通过连续输送多个微小晶体样品，逐一对其进行X射线衍射测量，并将这些来自不同晶体的衍射数据合并，从而获得完整的衍射数据集。该技术不仅能够有效减少辐射损伤对晶体结构解析的影响，还能适应小尺寸晶体以及难以生长高质量大晶体的样品，极大地拓展了可研究的生物大分子范围。而基于同步辐射开展串行晶体学实验技术研究，具有多方面的重要意义。

在生物大分子结构解析方面，能够突破传统方法对晶体质量和尺寸的限制，为解析那些难以通过常规手段获得高质量晶体的生物大分子结构提供了可能。这有助于深入了解生物大分子的精细结构，揭示其结构与功能之间的关系，例如对于膜蛋白等重要生物分子的研究，能够为理解细胞信号传导、物质运输等生命过程提供关键信息。

从药物研发的角度来看，准确的生物大分子结构信息是药物设计的基础。基于同步辐射的串行晶体学技术可以为药物研发提供更精准的生物大分子靶点结构，加速新型药物的开发进程，提高药物研发的成功率。通过解析与疾病相关的生物大分子结构，有助于发现新的药物作用靶点，设计出更具针对性和有效性的药物，为攻克各种疑难病症提供有力支持。

在生命科学基础研究领域，该技术的发展能够推动对生命过程中复杂生物分子机制的深入研究。例如在蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质-核酸相互作用等方面，通过获得高精度的生物大分子结构动态变化信息，有助于揭示生命活动中各种分子事件的本质，为生命科学的发展提供坚实的理论基础。

基于同步辐射的串行晶体学实验技术研究对于解决生物大分子结构解析中的关键问题、推动药物研发以及促进生命科学基础研究的发展都具有不可替代的重要作用，是当前结构生物学领域的研究热点和前沿方向。

1.2国内外研究现状

在国外，自2014年Stellato等从原理上证实同步辐射串行晶体学的可行性后，相关研究取得了显著进展。研究人员积极探索将X射线串行飞秒晶体学（SFX）中的上样方法应用于同步辐射串行晶体学实验。其中，微流控技术在样品输运方面得到了广泛应用，如利用微流控芯片将微小晶体样品精确地输送到X射线束的作用区域。这种技术能够实现对样品的精准控制，减少样品的浪费，同时提高了实验的效率和准确性。

在样品制备方面，开发了多种适用于同步辐射串行晶体学实验的样品制备方法。例如，通过优化结晶条件，能够获得尺寸均匀、质量良好的微小晶体，为实验提供高质量的样品。同时，对于一些难以结晶的生物大分子，采用了共结晶、添加剂等策略，有效提高了晶体的生长成功率和质量。

数据处理与分析是串行晶体学实验的关键环节之一。国外研究团队在这方面取得了一系列成果，开发了一系列先进的数据处理算法和软件。这些算法和软件能够高效地处理来自不同晶体的衍射数据，准确地合并和解析这些数据，从而获得高质量的生物大分子结构