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)。“但是，由計算模型得出的反應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)。”Gokhberg認為，“在3 fs的時間內(nèi)，電離環(huán)境已經(jīng)被開啟。”

加拿大薩斯喀徹溫省大學的X射線光譜學專家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；但是，凡是能夠幫助我們在X射線晶體學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。倫敦大學學院的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基因療法——納米新技術(shù)快速修復小鼠動脈內(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，并利用它們修復小鼠受損的動脈。

動脈阻塞可引發(fā)心臟病或中風。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)。

波恩大學的生理學研究者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險。但是，在該技術(shù)應用于臨床治療之前，研究人員需要利用較大的哺乳動物進行試驗，以設計出效果更好、性能更穩(wěn)定、能夠應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）