劳埃晶体学时代的到来

近年来 ,人们对古老的劳埃衍射技术重新产生了浓厚的兴趣。这主要是因为世界各地新的同步辐射光源的建成;各种先进的插入件,诸如波形器(wiggler)、波荡器(undulator)的飞速发展 ;以及利用这类光源通过时间分辨晶体学来研究分子结构动态变化的前景。在过去的十年中 ,理论研究已经阐明了多波长衍射几何学的特征 ,在很大程度上加深了我们对劳埃法的认识。劳埃数据处理方法及其软件开发也因此有所创新。曾在相当长的时间内限制这项技术应用的劳埃数据处理中的大部分问题现在已经得到解决 ;同步辐射光源 ,束线光学器件及X射线探测器等方面也都取得了显著的进步。静态劳埃实验得到的结构因子振幅在质量上已同单波长数据相当。晶体中反应易于启动的时间分辨劳埃实验已经开始在一系列生物分子体系中得到成功的实践。由此得到的关于结构动力学的信息是任何其它传统的衍射方法所无能为力的。这些静态的及时间分辨的实验说明了劳埃法已经开始走向成熟 ,并指明了今后发展的方向 ,即对晶体的镶嵌度和劳埃衍射点的相应能量宽度的正确处理、扩散散射的考虑、时间分辨实验中低浓度瞬态中间物结构的测定等等。

X射线自由电子激光的原理和在生物分子结构测定研究中的应用

X射线具有短波长和强穿透能力,利用电子对X射线的散射能够研究材料和分子的精密内部结构。信号的质量高度依赖于X射线发射源。2009年,美国能源部下属的斯坦福线性加速器中心国家实验室建成世界上第一台具有原子分辨率能力的X射线自由电子激光设施（LCLS）,从此X射线进入激光时代,人类所能使用的X射线的峰值亮度比最强的同步辐射X射线光源提高了100亿倍。文章简要介绍了X射线自由电子激光的发展历程、产生原理和特性,并结合具体实验研究对如何应用X射线激光研究生物学领域的分子结构和动态变化进行总结。

用X射线自由电子激光拍摄分子电影

作为生命活动的基本单元,蛋白质等生物大分子的功能与分子结构和动力学密切相关。X射线衍射和电子显微技术能够确定原子分辨率的分子结构,但是分子在“工作”期间的结构演化还需要大量的方法研究。X射线自由电子激光(XFEL)因其特有的超高亮度飞秒脉冲,成为捕捉动力学过程中分子结构变化的利器。文章介绍了基于XFEL的“泵浦-探测”时间分辨实验方法,通过捕捉蛋白质分子被激发之后特定时刻的结构,拍摄高分辨的分子电影,展现分子在实现功能过程中的精细动力学,为准确理解分子机理奠定了基础。