【分子机器】神秘的"分子机器"

图片说明：凤凰软件(Phenix software)使用相关数据制作的cysZ膜蛋白三维图像模型。以前无法分析。

科学家正在努力使制药公司以及科研工作者能够更容易地看到分子机器详细的内部工作原理。

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的科学家Tom Terwilliger说：“蛋白质分子存在于我们机体的每个细胞中，同样存在于每个细菌和病毒体内，它们虽然很小，但是结构复杂。蛋白质能用于合成化学物质、复制遗传物质、打开或关闭相应的功能以及通过细胞膜来传递化学物质。理解这些分子机器的工作原理，对研发家族遗传病的治疗方法以及开发新型材料至关重要。”

要理解分子机器如何运作，就必须清楚该机器如何装配、如何将各个组件组合在一起。这也就是洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们所要从事的研究。这些分子机器往往非常小，一百万个分子肩并肩排列只占据不到一英寸的空间。然而，科研工作者可以利用X射线、晶体以及计算机观察它们。研究人员制备了数十亿个蛋白机器，将其溶解在水中使蛋白晶体生长（与蔗糖晶体类似，但是蛋白机器比蔗糖分子大）。

然后，研究人员使用X射线照射蛋白晶体，并测量每一束X射线衍射斑点的亮度。他们使用凤凰软件（Phenix software）分析X射线的衍射斑点，同时生成单个蛋白机器的三维图片。该软件由洛斯阿拉莫斯实验室、劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）以及杜克大学（Duke University）和剑桥大学（Cambridge University）的科学家共同开发。这些图片向科研工作者展示了蛋白机器是如何进行装配的。

3D技术的发展

最近，洛斯阿拉莫斯实验室的科学家与劳伦斯伯克利国家实验室以及剑桥大学的同事们共同努力，希望分子机器的可视化技术变得更加简单。在2014年12月发表在Nature Methods杂志上的研究论文中，洛斯阿拉莫斯实验室的科学家及他们的科研团队宣称已经能够使用X射线的衍射斑点来获取分子机器的三维图像，而这在以前是无法实现的。

大多数的蛋白质由碳、氧、氮以及氢等原子构成，不过一些分子机器会含有少量的金属原子或者其它原子，因而产生与碳、氢、氧、氮不同的X射线衍射。凤凰软件首先会发现这些金属原子，然后根据它们的位置来找寻所有其它的原子。对于大多数分子机器来说，需人为将金属原子放置在蛋白机器内部以保证其正常运转。

洛斯阿拉莫斯实验室的科学家对该技术发展的贡献在于，他们运用强大的统计方法寻找金属原子，即便这些金属原子散射X射线的能力与其他原子相差无几。即使绝大多数蛋白质的组成元素硫也能被发现并用于生成蛋白质的三维图像。现在的技术已经发展到即使没有人为地将金属原子放置在蛋白质内部，也能生成蛋白质的三维图像，这就使得越来越多的分子机器研究成为可能。

破译分子机器Cascade

通过观察分子机器的三维结构，研究人员发现了一个巨大的分子机器Cascade。2014年夏天发表在Science期刊上的研究论文曾报道过该分子机器。Cascade机器存在于细菌内，能够识别感染细菌的病毒的DNA分子。Cascade机器由11个蛋白质以及1个RNA分子构成，其形状与海马类似，RNA分子贯穿海马的整个“身体”。如果在细菌细胞内，外来DNA片段与RNA分子互补，另外一个特异性的机器就会出现，并切割这段外来DNA分子，保护细菌免受感染。

开发凤凰软件的洛斯阿拉莫斯实验室以及剑桥大学的科学家们是该研究团队的部分成员，他们首次使蛋白机器可视化。凤凰软件目前已经被应用于确定超过15000种不同蛋白机器的三维形状与结构，超过5000篇文章对该项研究进行了引用。

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