蛋白质是所有生命体的构成基石，其种类几乎无限，而其中大多数高度复杂的结构尚未确定。这些结构可能是开发新药或理解基本生物过程的关键。
然而，要弄清这些复杂折叠分子中原子的排列，通常需要使它们形成足够大的晶体，以便进行细致观察；对于许多蛋白质而言，这要么不可能，要么难度极大。
如今，麻省理工学院（MIT）及其他机构的研究人员正在开发一种新技术，显示出巨大的前景：它无需结晶，就能生成单个蛋白质的高度细致图像，无论其结构多么复杂。这项研究成果 发表 于期刊 《Physical Review X》 ，作者包括麻省理工学院研究生 Ashok Ajoy、博士后 Ulf Bissbort、核科学与工程副教授 Paola Cappellaro，以及麻省理工学院、新加坡科技设计大学和哈佛大学的其他研究人员。
这项技术利用钻石晶体结构中的微观缺陷——这些缺陷可以在实验室中以受控方式诱发。这些被称为氮空位（NV）中心的缺陷，是将氮原子引入晶体结构后形成的；每个氮原子都会取代完美间距的钻石晶格中的一个碳原子。
这类晶格中也可能存在自然形成的空位，即碳原子从其在晶格中的正常位置缺失所造成的缺陷。当一个氮原子与一个空位相邻时，就会形成一个 NV 中心；它可用于探测非常靠近它们的原子中质子和电子的位置及属性——具体而言，是它们的自旋态。
其原理是将激光照射到钻石表面，使 NV 中心发出荧光。通过探测并分析发出的光，可以重建附近粒子的自旋细节。
Ajoy 表示，利用钻石中的 NV 中心的能力是在过去几年发展起来的，如今许多团队正致力于将其用于量子计算和量子通信。若 NV 中心非常靠近钻石表面——距离在几纳米以内——它们还可用于感测置于表面上的分子内粒子的自旋态。原则上，随后便可探测并绘制出单个原子及其位置，从而揭示分子结构。
Ajoy 解释说，这个想法是“把一个生物分子放在钻石上，然后尝试确定它的结构”。他说，对于蛋白质而言，“结构与功能密切相关”，因此，能够精确绘制其结构，或有助于理解一些基本生物过程如何运作，以及如何开发能够作用于特定分子靶标的新药。
Ajoy 说：“这可能有助于开发一种能够贴合或包围[靶分子]，或者将其阻断的东西。”“第一步是了解其结构。”
解读蛋白质分子结构的研究大多采用 X 射线晶体学、透射电子显微镜或核磁共振。但所有这些方法都需要大量样本——例如，X 射线衍射需要将分子聚集成晶体——因此都无法用于研究单个分子。这极大地限制了这些技术的适用范围。
Ajoy 说：“很多分子无法用这种方式处理，因为晶体长不出来，或者很难培养。”“对于这些分子，我们的方法或许有用，因为你不需要晶体，只需要一个分子。”
此外，其他技术需要非常低的温度或真空等特殊条件，而他说，这项新技术“或许能够在室温、环境条件下确定结构”。
目前这项工作仍处于理论阶段；团队已经开始着手下一步，即基于这项技术制作实际图像。Ajoy 说：“我们一年前开始搭建这套装置，也已经进行了初步实验。”他说，要获得分子的实际图像，可能还需要几年时间。
未参与这项研究的德国乌尔姆大学量子光学教授 Fedor Jelezko 表示，这项技术是“开发生物分子结构测定新技术方面的一个非常重要的突破”。“这是一项出色的工作，将对许多科学领域产生重大影响。我相信，世界各地的多个团队都会尝试根据本文提出的思路开展实验。”
除 Ajoy、Cappellaro 和 Bissbort 外，团队成员还包括哈佛大学物理学教授 Mikhail Lukin 和高级讲师 Ronald Walsworth。这项工作得到美国陆军研究办公室和国防高级研究计划局的支持。
本文与 麻省理工学院新闻合作发表。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可文中观点。
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作者：David L. Chandler 是一名自由撰稿人兼作家，自 1975 年以来一直撰写科学相关内容。
图片：一对钻石在哈顿花园珠宝商场的 Serendip Jewellers 店内展出。路透社 / Luke MacGregor。
