X射線光子如何損壞金屬蛋白

譯海擷英

X射線光子如何損壞金屬蛋白

在利用X射線確定含有金屬離子的生物分子（如金屬蛋白）的晶體結(jié)構(gòu)時，可能會出現(xiàn)問題，這是因為X射線可能會破壞金屬周圍的環(huán)境，進而改變生物分子的結(jié)構(gòu)。

德國海德堡大學(xué)的Kirill Gokhberg及其同事利用計算方法梳理了該類輻射損傷的機理，他們的研究結(jié)果表明，即便采用快速的X射線探測方法，也會導(dǎo)致生物分子結(jié)構(gòu)的畸變。

研究人員發(fā)現(xiàn)，模型［Mg (H2O)6］2+簇中的金屬晶格在級聯(lián)反應(yīng)過程中發(fā)生弛豫現(xiàn)象，其金屬離子返回到原始的電荷狀態(tài)，并且對周圍環(huán)境產(chǎn)生直接危害。

在該模型系統(tǒng)中，X射線被吸收后，金屬釋放電子，形成Mg4+，Mg4+又可通過2個弛豫模式［原子間的庫侖衰減（ICD）和電子轉(zhuǎn)移介導(dǎo)衰減（ETMD）］的級聯(lián)返回到Mg2+。在ICD過程中，金屬將過剩的能量傳遞給相鄰的水分子，其自身的電荷屬性不發(fā)生改變；而在ETMD過程中，相鄰的水分子向金屬提供一個電子，同時金屬將過剩的能量傳遞給電子供體或另外一個水分子。具體見圖1。

上述兩個過程均導(dǎo)致一個或多個水分子的離子化，水分子被電離成可以攻擊其他分子的自由基。ICD過程的時間不到1 fs（飛秒），而ETMD過程需要20 fs。

研究人員轉(zhuǎn)向于利用更快速的自由電子激光代替會破壞樣品結(jié)構(gòu)的X射線來確定生物分子的結(jié)構(gòu)?！暗?，由計算模型得出的反應(yīng)速度意味著甚至自由電子激光也會破壞生物分子的結(jié)構(gòu)?！盙okhberg認為，“在3 fs的時間內(nèi)，電離環(huán)境已經(jīng)被開啟?！?/p>

加拿大薩斯喀徹溫省大學(xué)的X射線光譜學(xué)專家Graham N. George對此評論到：“之前，我從未想到s區(qū)金屬離子，如Mg2+，可能會介入反應(yīng)；但是，凡是能夠幫助我們在X射線晶體學(xué)方面了解金屬蛋白光損傷過程的事物均會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。”

圖1　ICD與ETMD過程

云杉球果果殼材料可以減少CO2排放量

最近的一項研究表明，利用云杉球果果殼可以制備一種能夠捕集和儲存CO2的材料，其性能優(yōu)于其他固體吸附劑。

專家認為，碳捕集和封存技術(shù)——從煙氣中捕獲CO2并將其注入地下，對遏制氣候變化是必要的。但是，使用水胺溶液的常規(guī)碳捕集技術(shù)成本過高，這促使科學(xué)家研究成本較為低廉的碳捕集方法。

由金屬有機骨架材料（MOF）衍生出的碳基多孔材料對CO2具有較高的吸附容量，但是，金屬有機骨架材料制備昂貴，而且其原料為石化產(chǎn)品，屬于不可持續(xù)能源。倫敦大學(xué)學(xué)院的Guo Zhengxiao及其同事致力于研究是否能夠利用生物質(zhì)廢棄物制備CO2吸附劑，而其他研究人員已經(jīng)利用云杉球果果殼成功制備了用于水凈化的活性炭。因此，該研究小組對挪威云杉球果果殼進行了研究。他們將云杉球果果殼在爐中碳化，然后將其研磨成細顆粒，并利用KOH對其進行活化。KOH處理有助于形成納米尺寸的孔并增加顆粒的表面積。研究人員將制備的吸附劑置于與煙氣中CO2質(zhì)量分數(shù)（15%）相同的CO2環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)吸附劑吸收了占其自身質(zhì)量21%的CO2。據(jù)Guo Zhengxiao介紹：該球果果殼吸附劑對CO2的吸附容量與金屬有機骨架材料相類似，而且其對CO2的吸附選擇性優(yōu)于后者，制備成本也低于后者。X射線光電子能譜測試結(jié)果表明，果殼中原有的氮和鈣元素仍然存在于該納米多孔材料中，并且通過在吸附劑表面引入活性位來加快對CO2的捕獲。

松樹和云杉的球果果殼價格低廉、來源豐富且可再生，可以從森林中收集足夠多的果殼來工業(yè)化制備CO2吸附劑，從而對碳捕集作出顯著貢獻。

可以治療血管疾病的磁導(dǎo)基因療法——納米新技術(shù)快速修復(fù)小鼠動脈內(nèi)襯血管壁

心血管疾病每年使數(shù)百萬人的生命處于危險之中，而結(jié)合基因療法和磁體技術(shù)的新技術(shù)在未來有可能會為患者提供新的治療手段。研究人員已經(jīng)制備出攜帶與正常基因連接在一起的磁性納米顆粒的細胞，可以利用外部磁場改變細胞的方位，并利用它們修復(fù)小鼠受損的動脈。

動脈阻塞可引發(fā)心臟病或中風(fēng)。動脈中平滑的內(nèi)襯血管壁因老化或高膽固醇等疾病而受到損壞時，斑塊在內(nèi)壁上會不斷增長，從而引起堵塞。血管內(nèi)皮細胞也會產(chǎn)生一氧化氮，用于擴張血管使血流暢通。無內(nèi)皮細胞的血管會收縮，且血流量較少，從而使斑塊進一步沉積。醫(yī)生可以利用藥物消除斑塊或通過手術(shù)打開血管，但是，即便是類似于血管成形術(shù)的微創(chuàng)手術(shù)，也不能阻止斑塊的再次形成。

研究人員一直嘗試通過向受損部位灌注內(nèi)皮細胞、促進細胞生長的蛋白質(zhì)或能夠編碼一氧化氮合成酶的基因來修復(fù)內(nèi)襯血管壁。但是，含有上述細胞和分子的藥物被注入后，即刻就被流經(jīng)的血液沖洗掉。支架植入提供了另一種給藥選擇，但需要進行外科手術(shù)。

波恩大學(xué)的生理學(xué)研究者Daniela Wenzel和她的同事找到了一種新方式，可以直接注射內(nèi)皮細胞到受損部位并將其固定在該處。首先，她們將綠色熒光蛋白的基因編碼和一氧化氮合成酶包裝到病毒載體（主要作用是將遺傳物質(zhì)遞送到細胞中）中；然后，將媒介載體與硅-鐵氧化物納米磁性顆粒連接在一起，再將載體-納米顆粒固定在內(nèi)皮細胞中。由此一來，內(nèi)皮細胞就具有了磁性，因而可以通過外部磁體進行定位。

研究人員將組裝好的細胞注射到已被切除內(nèi)皮細胞的小鼠頸動脈血管中。針對一半數(shù)量的研究對象，在治療部位的外部放置了磁鐵并使其作用30 min。2 d后，暴露于磁場中的小鼠動脈中出現(xiàn)了黏附于血管內(nèi)表面的綠色熒光細胞，這些細胞至少覆蓋了被治療部位周邊一半的面積。在另一半數(shù)量的研究對象中，流動的血液將組裝細胞沖走并將其沉積在腦部。

對切除內(nèi)皮細胞的頸動脈進行等距測量，結(jié)果顯示曾暴露于磁場中的動脈能夠收縮和擴張，而未經(jīng)磁場處理的動脈則不能，這表明經(jīng)過接枝的細胞能夠正常工作并產(chǎn)生一氧化氮。

據(jù)Wenzel介紹，該研究小組的首要目標是改善手術(shù)后的傷口愈合情況，最終目的是將該技術(shù)用于預(yù)防性治療，以減少血管中斑塊的積累并降低患冠狀動脈血管疾病的風(fēng)險。但是，在該技術(shù)應(yīng)用于臨床治療之前，研究人員需要利用較大的哺乳動物進行試驗，以設(shè)計出效果更好、性能更穩(wěn)定、能夠應(yīng)用于人體的磁性組件。

費城兒童醫(yī)院的心血管疾病研究者Michael Chorny認為：血管成形術(shù)的一個主要問題是功能性內(nèi)皮細胞的修復(fù)比較緩慢，而且往往是不完全的；Wenzel小組的研究結(jié)果表明該技術(shù)是細胞和基因治療的一個完美的結(jié)合。

（本欄目編輯：李麗平）