X射线光子如何损坏金属蛋白

译海撷英

X射线光子如何损坏金属蛋白

在利用X射线确定含有金属离子的生物分子（如金属蛋白）的晶体结构时，可能会出现问题，这是因为X射线可能会破坏金属周围的环境，进而改变生物分子的结构。

德国海德堡大学的Kirill Gokhberg及其同事利用计算方法梳理了该类辐射损伤的机理，他们的研究结果表明，即便采用快速的X射线探测方法，也会导致生物分子结构的畸变。

研究人员发现，模型［Mg (H2O)6］2+簇中的金属晶格在级联反应过程中发生弛豫现象，其金属离子返回到原始的电荷状态，并且对周围环境产生直接危害。

在该模型系统中，X射线被吸收后，金属释放电子，形成Mg4+，Mg4+又可通过2个弛豫模式［原子间的库仑衰减（ICD）和电子转移介导衰减（ETMD）］的级联返回到Mg2+。在ICD过程中，金属将过剩的能量传递给相邻的水分子，其自身的电荷属性不发生改变；而在ETMD过程中，相邻的水分子向金属提供一个电子，同时金属将过剩的能量传递给电子供体或另外一个水分子。具体见图1。

上述两个过程均导致一个或多个水分子的离子化，水分子被电离成可以攻击其他分子的自由基。ICD过程的时间不到1 fs（飞秒），而ETMD过程需要20 fs。

研究人员转向于利用更快速的自由电子激光代替会破坏样品结构的X射线来确定生物分子的结构。“但是，由计算模型得出的反应速度意味着甚至自由电子激光也会破坏生物分子的结构。”Gokhberg认为，“在3 fs的时间内，电离环境已经被开启。”

加拿大萨斯喀彻温省大学的X射线光谱学专家Graham N. George对此评论到：“之前，我从未想到s区金属离子，如Mg2+，可能会介入反应；但是，凡是能够帮助我们在X射线晶体学方面了解金属蛋白光损伤过程的事物均会产生实质性的影响。”

图1　ICD与ETMD过程

云杉球果果壳材料可以减少CO2排放量

最近的一项研究表明，利用云杉球果果壳可以制备一种能够捕集和储存CO2的材料，其性能优于其他固体吸附剂。

专家认为，碳捕集和封存技术——从烟气中捕获CO2并将其注入地下，对遏制气候变化是必要的。但是，使用水胺溶液的常规碳捕集技术成本过高，这促使科学家研究成本较为低廉的碳捕集方法。

由金属有机骨架材料（MOF）衍生出的碳基多孔材料对CO2具有较高的吸附容量，但是，金属有机骨架材料制备昂贵，而且其原料为石化产品，属于不可持续能源。伦敦大学学院的Guo Zhengxiao及其同事致力于研究是否能够利用生物质废弃物制备CO2吸附剂，而其他研究人员已经利用云杉球果果壳成功制备了用于水净化的活性炭。因此，该研究小组对挪威云杉球果果壳进行了研究。他们将云杉球果果壳在炉中碳化，然后将其研磨成细颗粒，并利用KOH对其进行活化。KOH处理有助于形成纳米尺寸的孔并增加颗粒的表面积。研究人员将制备的吸附剂置于与烟气中CO2质量分数（15%）相同的CO2环境中，发现吸附剂吸收了占其自身质量21%的CO2。据Guo Zhengxiao介绍：该球果果壳吸附剂对CO2的吸附容量与金属有机骨架材料相类似，而且其对CO2的吸附选择性优于后者，制备成本也低于后者。X射线光电子能谱测试结果表明，果壳中原有的氮和钙元素仍然存在于该纳米多孔材料中，并且通过在吸附剂表面引入活性位来加快对CO2的捕获。

松树和云杉的球果果壳价格低廉、来源丰富且可再生，可以从森林中收集足够多的果壳来工业化制备CO2吸附剂，从而对碳捕集作出显著贡献。

可以治疗血管疾病的磁导基因疗法——纳米新技术快速修复小鼠动脉内衬血管壁

心血管疾病每年使数百万人的生命处于危险之中，而结合基因疗法和磁体技术的新技术在未来有可能会为患者提供新的治疗手段。研究人员已经制备出携带与正常基因连接在一起的磁性纳米颗粒的细胞，可以利用外部磁场改变细胞的方位，并利用它们修复小鼠受损的动脉。

动脉阻塞可引发心脏病或中风。动脉中平滑的内衬血管壁因老化或高胆固醇等疾病而受到损坏时，斑块在内壁上会不断增长，从而引起堵塞。血管内皮细胞也会产生一氧化氮，用于扩张血管使血流畅通。无内皮细胞的血管会收缩，且血流量较少，从而使斑块进一步沉积。医生可以利用药物消除斑块或通过手术打开血管，但是，即便是类似于血管成形术的微创手术，也不能阻止斑块的再次形成。

研究人员一直尝试通过向受损部位灌注内皮细胞、促进细胞生长的蛋白质或能够编码一氧化氮合成酶的基因来修复内衬血管壁。但是，含有上述细胞和分子的药物被注入后，即刻就被流经的血液冲洗掉。支架植入提供了另一种给药选择，但需要进行外科手术。

波恩大学的生理学研究者Daniela Wenzel和她的同事找到了一种新方式，可以直接注射内皮细胞到受损部位并将其固定在该处。首先，她们将绿色荧光蛋白的基因编码和一氧化氮合成酶包装到病毒载体（主要作用是将遗传物质递送到细胞中）中；然后，将媒介载体与硅-铁氧化物纳米磁性颗粒连接在一起，再将载体-纳米颗粒固定在内皮细胞中。由此一来，内皮细胞就具有了磁性，因而可以通过外部磁体进行定位。

研究人员将组装好的细胞注射到已被切除内皮细胞的小鼠颈动脉血管中。针对一半数量的研究对象，在治疗部位的外部放置了磁铁并使其作用30 min。2 d后，暴露于磁场中的小鼠动脉中出现了黏附于血管内表面的绿色荧光细胞，这些细胞至少覆盖了被治疗部位周边一半的面积。在另一半数量的研究对象中，流动的血液将组装细胞冲走并将其沉积在脑部。

对切除内皮细胞的颈动脉进行等距测量，结果显示曾暴露于磁场中的动脉能够收缩和扩张，而未经磁场处理的动脉则不能，这表明经过接枝的细胞能够正常工作并产生一氧化氮。

据Wenzel介绍，该研究小组的首要目标是改善手术后的伤口愈合情况，最终目的是将该技术用于预防性治疗，以减少血管中斑块的积累并降低患冠状动脉血管疾病的风险。但是，在该技术应用于临床治疗之前，研究人员需要利用较大的哺乳动物进行试验，以设计出效果更好、性能更稳定、能够应用于人体的磁性组件。

费城儿童医院的心血管疾病研究者Michael Chorny认为：血管成形术的一个主要问题是功能性内皮细胞的修复比较缓慢，而且往往是不完全的；Wenzel小组的研究结果表明该技术是细胞和基因治疗的一个完美的结合。

（本栏目编辑：李丽平）