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上帝之眼

已有 2263 次阅读 2015-10-10 16:52 |个人分类:论文综述|系统分类:观点评述|关键词:电子显微镜,核磁共振,X射线衍射法| 核磁共振, 电子显微镜, X射线衍射法

上帝之眼

作者:王炜 

在一美元的背面印着一颗被三角形及万丈光芒所环绕的眼睛,西方称之为上帝之眼的,也称谓全知之眼其可看到最细微的东西,代表着上帝监视人类的法眼。上帝之眼真的存在吗?

   在自然科学中确实存在着“上帝之眼”,其可观察到最细微东西——原子。这些“上帝之眼”包含:电子显微镜(Electron Microscope,EM),核磁共振(Nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR),X射线衍射法(X-ray diffraction,XRD)。这三者之间共同点就是可以看到生物大分子的结构形态。但是每种方法又各自不同。

电子显微镜又有许多类型。在生物学领域中常用的电镜技术是冷冻电镜(cryoelectron microscopy)。电子显微镜成像技术出现于上个世纪50年代,而冷冻电子显微镜技术则在上世纪80年代趋于成熟。它使用电子束代替了传统显微镜的光线,用电磁场代替了光学透镜的凸透镜。它的研究对象非常广泛,可以从亚细胞器结构到大分子量蛋白质。最近发表的电镜研究,已经可以使生物大分子的分辨率达到3-4埃。X射线衍射分析技术从上个世纪50-60年代发展起来后,其利用了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象,确定晶体中个原子的空间位置。对生物大分子的研究做出了重大贡献。目前仍然是结构生物学领域的主要技术。核磁共振技术也是于上个世纪50-60年代发展起来的技术,该技术的最大特点是,可以看到生物分子在液体环境中的自然形态。

上述三种技术在生物大分子结构研究领域中起到相辅相成的作用。也是人类的“上帝之眼”在观察微观领域的不同视野。X射线衍射分析技术可以观察到原子键的相互影响。在计算机辅助下、可以合理、理性设计干扰蛋白质结构的药物。同时也可以对自然界中的蛋白质进行人为改造,增强其自然生物活性。但是其也有应用的局限性。X射线衍射分析技术观察的是蛋白质晶体中的结构信息。而自然条件下,蛋白质是在液体环境中起生物活性作用的。其受到液体中的水分子与其他离子的影响,结构是在不断发生轻微变化。这种变化的观察则需要借助核磁共振技术。另一方面,当生物大分子的分子量较大,难以获得晶体时,冷冻电子显微镜技术则可以获得很好的形态结构数据。但其目前还无法获得生物大分子内部化学键的数据信息。

通过“上帝之眼”人类已经可以观察到各种事物的微观世界,加深了对物质世界的认识。对生物世界的认识过程,我们完成了是什么、为什么的过程。但是下一步的怎么样的过程还未实现。例如,基于我们对生物大分子的认识,设计出一种全新的、自然中不存在的、满足我们需求的蛋白质。这是一个观察后的动作,我们可以暂且称之为“上帝之手”。世间的各种生物大分子的产生都是由自然界的选择进化这个“上帝之手”所创造。那么,我们人类的“上帝之手”又会是什么技术呢?筛选实验或是数学模拟计算?

 




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