物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学③现代物理分析技术在生命科学研究中的应用

物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学

③现代物理分析技术在生命科学研究中的应用

半个世纪以来,现代物理分析技术如X 射线衍射技术、各种电子显微术、光谱技术(包括吸收光谱术、发射光谱术、红外和拉曼光谱术等) 和波谱学技术(包括核磁共振术、电子自旋共振术、穆斯堡尔谱术等) ，对推动生命科学的发展始终起着至关重要的作用。 随着生命研究向更微观和更复杂两个方向的发展，一些新的物理技术和仪器正在向我们显示出各层次生命活动的连续变化图像，帮助人类揭开生命本质的神秘面纱，促进人类健康长寿。近年新发展的单个生物分子的研究（包括观测其构象变化、功能活动，及其与其它单分子相互作用的动力学过程）可揭示出过去检测多分子集体行为平均化所掩盖的“个性”和蕴藏的丰富信息，从而深入了解生命活动的微观规律。观测单分子的技术有两类：1) 扫描探针显微术，包括扫描隧道显微术 、原子力显微术 、扫描离子电导显微术等；2) 光学技术, 包括扫描近场光学显微术、光钳技术、荧光标记(能量共振转移和荧光偏振) 等。

下面举出几种现代物理分析技术在生命研究中的应用的例子（此处不具体介绍仪器工作原理）。

一、电子显微镜

电子显微镜是材料科学中的重要检测手段。电子显微分析技术对生命科学和医学的发展也起着重要作用，它使生命科学和基础医学研究从细胞水平进入到了分子水平。运用电镜可以迅速确定蛋白质、核酸的详细结构，可以看到病毒和细菌的内部结构，还能直接观察到某些大的有机分子及晶体的构像，甚至单个原子。生物体基本上是由碳、氢、氧、氮四种元素构成，且含有大量水分，如活细胞中水占95%，所以观察“活”显微组织，要求样品较厚。为此，加速电压得达到10⁶伏，电子才能穿透样品。但在这么高能量的电子束的辐照下，“活”样品会受到损伤。此外，电子对碳（有机物中多）和氧（水中多）的散射差别不大，使水背景下难以观察到具有明显反差的显微结构。再加上待测样品是放在真空中的，因此电镜无法观察活的生物样品。

二、X 射线衍射

阐明生命活动本质的主要基础之一是了解蛋白质空间结构与其生物功能间的关系。蛋白质晶体X射线衍射是蛋白质空间结构测定的主要方法。近年来利用晶体学技术研究蛋白质分子取得了突破，为今后物理学与生物学的结合开辟了一条途径。随着X 射线衍射晶体学空间分辨率的不断提高，得到了大量蛋白质在原子分辨率水平的空间精细结构。当然，晶体学技术也有不足：需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克）并制备出单晶体，数据收集、计算和分析繁杂，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同。

三、核磁共振

另一种研究蛋白质结构的技术是核磁共振术(NMR)。NMR 弥补了X 射线晶体学要求对生物分子结晶的局限，可直接检测溶液中生物分子的结构。现代核磁共振技术已经从一维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构。

四、同步辐射

1947年，美国通用电气公司的实验人员在调试一台新设计的电子同步加速器时发现，电子在环形管道中作高速圆周运动时向外辐射连续X射线，这就是同步辐射。与X光管所产生的X射线相比，同步辐射X光具有波长连续可调、辐射功率大、亮度高、准直性好、偏振性好（线偏振光）、稳定性高等优点。这些优点使它在原子分子物理、材料科学、化学、生命科学、医学、微电子技术和微细加工等诸多领域获得了广泛的应用。利用同步辐射X光可研究生物大分子的三维结构、生化反应过程中结构随时间变化的动态过程、辐射对细胞的作用，尤其是可以对含水量多的活体生物样品（如活细胞）的动态过程进行显微观察。

利用X射线激发样品微区产生的X射线荧光，可以分析样品中所含的元素及其空间分布，获得样品中成分的二维以至三维信息。但由于常规光源较弱，限制了常规X射线荧光分析的应用。同步辐射光源具有诸多优异特性，用它去激发X射线荧光，可大大提高微量元素分析的灵敏度和空间分辨率。对于生物样品，同步辐射X射线荧光分析在空间上可以达到单层乃至单个细胞的水平，探测极限可以达到ppm(10^-6)甚至ppb(10^-9)量级。近年来人们又发展了X射线全息术（XFH）和X射线断层术（XFT）。目前的X射线全息术已可识别单晶中的原子分布，若使用第四代同步辐射源，还可以对不能生成结晶的单分子、病毒和其它分子形式重构其原子分布图。采用X射线断层术已可观测单个细胞的结构、直观地重构蛋白质的结构。

五、扫描隧道显微镜和原子力显微镜

在第九章中，已经介绍了扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的物理原理及其在材料科学中的应用。在生命科学研究中，STM和AFM同样具有独特的优势：（1）可以获得分辨率小于1nm的二维和三维结构图像，能直接观察和操纵单个原子和分子；（2）可以在常温、常压、大气、潮湿或水溶液等条件下直接观察活生物样品；（3）能在接近原子、分子、超分子、亚细胞乃至细胞水平的不同层次上，全面研究生物样品的结构；（4）操作比电镜和X射线衍射简便，所需样品量少且成本低。

1989年1月，美国科学家发表了第一张在大气环境下的DNA分子的STM图象，这张图被评为该年度美国的“第一号科技成果”。同年4月，中国科学院上海原子核研究所与上海细胞生物学研究所合作，获得了鱼精子B型DNA的直观图像。这一成果也被美国《大众科学》评为1989年度重大进展。探索DNA新构型是STM对DNA结构研究可能作出的第一个重要贡献。此后，研究者们相继得到了左旋DNA、双螺旋DNA的碱基对、平行双螺旋DNA的STM图象。我国科学家利用STM成功地拍摄到表征DNA复制过程中一瞬间的照片。这些激动人心的进展为探索未知核酸结构开拓了一条新路。用STM研究蛋白质结构也获得了成功。我国科学家获得了人体β-珠蛋白基因的某个调控过程中DNA形成环结构的STM图象，这对了解真核基因调控机制具有十分重要的意义。利用STM还可以获取细胞膜和细胞器表面的电子结构信息，研究细胞膜、细胞器表面结构在不同环境条件下变化，以及与这种变化相关联的生理过程的静态信息。

运用AFM技术可以对DNA分子进行操纵：将双螺旋状的DNA分子链拉直，对DNA链上任意位点进行原子力切割。这对DNA物理测序以及精细基因图谱的获得都是至关重要的。DNA复制、蛋白质合成、信息传递等都是由分子间力控制的，AFM对微小相互作用力的高度敏感使其成为研究生物分子的分子内、分子间力的有效工具。现在全细胞的AFM成像已经实现，通过AFM研究活细胞在外界作用下发生的结构变化已接近实现，用AFM技术可以实现对活细胞中分子的在位检测。

六、荧光标记

用荧光标记鉴别生物分子构象变化是动态结构生物学研究的最新成就。例如,著名的诺贝尔物理学奖得主朱棣文等应用荧光能量转移法在荧光显微镜下观测一种RNA 分子单分子折叠的研究成果,揭示了分子从未折叠态到折叠态之间有一个快速折叠的中间态,是生物单分子研究发展的一个里程碑。