物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備與新冠病毒研究
日期：2020年08月08日
正文共：7170字3圖
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作者：李昭輝
注：本文原文發(fā)表在2020年5月刊的《今日物理》（Physics Today）雜志上，原作者是大衛(wèi)·克萊默（David Kramer）。
“科學(xué)家們正在利用X射線、電子和中子來破譯新型冠狀病毒的分子機(jī)制并使其失活?！?/span>
盡管世界范圍內(nèi)的大多數(shù)基礎(chǔ)研究已經(jīng)因?yàn)樾滦凸跔畈《镜拇罅餍卸兄?，但有一些?shí)驗(yàn)室仍未關(guān)門，并進(jìn)行著激烈的努力以尋找治療這種疾病的方法。就這一任務(wù)的關(guān)鍵部分而言，物理學(xué)家和化學(xué)家們發(fā)揮著至關(guān)重要的作用：他們需要解析出2型嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒（SARS-CoV-2）的蛋白分子的三維結(jié)構(gòu)，并找出可以鎖定和破壞病毒分子機(jī)制的位點(diǎn)。在這些實(shí)驗(yàn)中并不需要用到整個(gè)病毒分子，其主要工作領(lǐng)域僅針對(duì)克隆出的病毒蛋白質(zhì)。
英國(guó)的“鉆石光源”（Diamond Light Source，這是一臺(tái)第三代同步輻射裝置，能產(chǎn)生超強(qiáng)X射線）產(chǎn)生的射線有一部分是用于進(jìn)行生命科學(xué)研究的，截至2020年4月初，這部分射線已經(jīng)對(duì)外開放，供與SARS-CoV-2有關(guān)的研究使用。高級(jí)光子源（Advanced Photon Source，APS）實(shí)驗(yàn)室的生命科學(xué)顧問鮑勃·費(fèi)斯切蒂（Bob Fischetti）表示，截至本文發(fā)稿時(shí)，單單是在美國(guó)，就至少有23個(gè)小組利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源開展了相關(guān)的研究工作。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步加速器光源二號(hào)、斯坦福直線加速器中心（SLAC）的斯坦福同步輻射光源（SSRL）和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源目前都由數(shù)量保持在最低限度的人操作，但每臺(tái)試驗(yàn)裝置都保持開放狀態(tài)，且其產(chǎn)生的X射線束嚴(yán)格限于用來解析新型冠狀病毒幾種蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。
上圖：位于英國(guó)牛津附近的“鉆石光源”的鳥瞰圖，其研究人員正使用同步加速器來確定新型冠狀病毒主要蛋白酶的數(shù)十種三維結(jié)構(gòu)，以及與之結(jié)合后可能會(huì)抑制蛋白酶功能的各種配體，獲得的相關(guān)信息可用于設(shè)計(jì)新型抗病毒藥物。
位于德國(guó)柏林的同步加速器光源二號(hào)（BESSY Ⅱ光源）曾短暫關(guān)閉，但已于2020年4月2日恢復(fù)運(yùn)行，以協(xié)助冠狀病毒研究。此類研究也在中國(guó)上海的同步加速器上進(jìn)行著——在中國(guó)上海，科研人員解析出了新冠病毒主要蛋白酶蛋白的第一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)。位于法國(guó)的“歐洲同步加速器輻射裝置”已經(jīng)關(guān)閉，以進(jìn)行升級(jí)，但有關(guān)方面于2020年4月初宣布，其將根據(jù)具體情況，考慮重新開放儀器產(chǎn)生射線束，以進(jìn)行冠狀病毒研究。
新型冠狀病毒含有28或29種蛋白質(zhì)（估計(jì)值，確切的數(shù)字尚不清楚），在這些蛋白質(zhì)中，許多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了解析，其中既有單獨(dú)的蛋白質(zhì)分子，亦有蛋白質(zhì)分子與其他各種分子（稱為“配體”）結(jié)合形成的復(fù)合物。在那些得到解析的結(jié)構(gòu)中，主要的蛋白酶（Mpro）是一種能夠?qū)⑤^長(zhǎng)的病毒多肽分解成較短的功能單元的酶。此外，還解析出了一種稱為“Nsp15”的核糖核酸內(nèi)切酶，以及從冠狀病毒表面突起，并介導(dǎo)病毒分子侵入人體細(xì)胞的刺突蛋白。
截至2020年3月25日，SARS-CoV-2病毒的蛋白質(zhì)中，已經(jīng)有108個(gè)結(jié)構(gòu)被測(cè)定，其中既有被測(cè)定的單獨(dú)的分子結(jié)構(gòu)，也有蛋白質(zhì)與化合物結(jié)合后被測(cè)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且這些信息均已保存在公開的全球蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）中。當(dāng)時(shí)，英國(guó)“鉆石光源”的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提交了77種結(jié)合有各種配體的蛋白酶分子結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，越來越多的分子結(jié)構(gòu)被發(fā)布出來。
饒是如此，多位科學(xué)家警告說，某些已存入數(shù)據(jù)庫(kù)的蛋白分子結(jié)構(gòu)的解析工作做得不是很好?！翱焖俸妥詣?dòng)化并不總是意味著高質(zhì)量”，高級(jí)光子源的晶體學(xué)研究負(fù)責(zé)人安德烈·喬奇米亞克（Andrzej Joachimiak）這樣說道。曼徹斯特大學(xué)已退休的生物物理學(xué)家、化學(xué)家和晶體學(xué)家約翰·赫里維爾（John Helliwell）則指出，晶體學(xué)家通常會(huì)先將解出的結(jié)構(gòu)存入全球蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再慢慢地進(jìn)行研究。
對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家而言，X射線晶體學(xué)是迄今為止最常用的揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具，這種實(shí)驗(yàn)手段還能生成迄今為止最高分辨率的結(jié)構(gòu)圖像。這一過程通常在低溫下進(jìn)行，以限制電離輻射對(duì)蛋白質(zhì)分子造成的破壞。
在每個(gè)同步加速器光源中，小角度X射線散射都需要專用的射線束。這一技術(shù)缺乏晶體學(xué)的角度分辨率，但可用于檢查溶液中的大分子，而且得到的結(jié)構(gòu)接近室溫下蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)。X射線散射可以探索病毒的成熟結(jié)構(gòu)如何隨著時(shí)間的推移而變化。斯坦福同步輻射光源的科學(xué)總監(jiān)布里特·赫德曼（Britt Hedman）表示，這種演變過程可能會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。
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主要的蛋白酶
當(dāng)已知晶體的生長(zhǎng)條件時(shí)（相對(duì)于配體結(jié)合分析而言），X射線晶體學(xué)是確定分子三維空間結(jié)構(gòu)的最快方法，并且可以在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)獲得衍射數(shù)據(jù)。通過X射線晶體學(xué)而得到的最重要的SARS-CoV-2病毒結(jié)構(gòu)之一就是Mpro蛋白酶。
當(dāng)病毒RNA進(jìn)入人體細(xì)胞后，會(huì)攻擊宿主的“蛋白質(zhì)合成工廠”——核糖體，并以此合成兩個(gè)長(zhǎng)鏈多肽，其中包含病毒復(fù)制所需的成分。有兩種蛋白酶可將上述多肽分裂成多個(gè)較小的蛋白分子，其中大部分分裂工作是由Mpro蛋白酶進(jìn)行的。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家安德烈·科瓦列夫斯基（Andrey Kovalevsky）表示，新冠病毒的Mpro蛋白酶與2003年SARS冠狀病毒的Mpro蛋白酶具有96%的相似性，并且這種蛋白酶“對(duì)于病毒的復(fù)制絕對(duì)是至關(guān)重要的”。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源（APS）可產(chǎn)生16條專門用于蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究的射線束，盡管目前還沒有全部投入使用。由于世界上其他一些光源實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)圍繞著Mpro開始了研究，APS的團(tuán)隊(duì)便將注意力轉(zhuǎn)向了新冠病毒的其他一些非結(jié)構(gòu)蛋白（NSP）上。由喬奇米亞克領(lǐng)導(dǎo)的APS研究小組于2020年3月2日宣布，對(duì)Nsp15蛋白分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析。喬奇米亞克表示，許多非結(jié)構(gòu)蛋白的功能尚未像Mpro蛋白酶那樣得到清楚的理解，但新冠病毒的Nsp15蛋白分子與2003年的SARS病毒中的Nsp15蛋白分子具有89%的相似性，該蛋白分子可能通過干擾人體的免疫反應(yīng)來提高SARS-CoV-2病毒的致病性。喬奇米亞克領(lǐng)導(dǎo)的研究小組還確定了其他4個(gè)非結(jié)構(gòu)蛋白分子的結(jié)構(gòu)。對(duì)2003年的SARS病毒的Nsp15蛋白分子的研究表明，抑制該分子能夠減慢病毒的復(fù)制，盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)任何藥物具有抑制該分子的作用。
上圖：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)光子源（APS）的研究人員解析出了SARS-CoV-2病毒Nsp15蛋白（一種核糖核酸內(nèi)切酶）的一種分子結(jié)構(gòu)，其由6個(gè)相同的肽鏈組成（上圖中只有4個(gè)可見）。Nsp15蛋白分子能夠切割核糖核酸（RNA）的特定區(qū)域，并被認(rèn)為能夠干擾人類的抗病毒免疫機(jī)制。從初步的研究結(jié)果來看，其他研究小組已經(jīng)確定了一些可能通過破壞該蛋白質(zhì)的組裝而使其失活的化合物。
由來自美國(guó)西北大學(xué)、美國(guó)普渡大學(xué)、美國(guó)斯克利普斯研究所（注：其號(hào)稱是傳說中的美國(guó)生物醫(yī)學(xué)研究“第一神?！保┖臀譅柼亍だ锏玛戃娧芯克难芯咳藛T組成的研究團(tuán)隊(duì)正在使用APS確定新冠病毒其他3種非結(jié)構(gòu)蛋白和刺突蛋白的結(jié)構(gòu)。截至2020年4月1日，使用APS的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6種蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，他們還發(fā)現(xiàn)了這些蛋白質(zhì)與潛在的抗病毒化合物或抗體相結(jié)合的7個(gè)結(jié)構(gòu)。APS實(shí)驗(yàn)室于2020年3月25日向其15000個(gè)用戶社區(qū)發(fā)布了SARS-CoV-2研究計(jì)劃的可用性通知。費(fèi)斯切蒂表示，自那時(shí)以來，已有25個(gè)研究團(tuán)隊(duì)收集了數(shù)據(jù)或申請(qǐng)了射線照射時(shí)間。
中國(guó)上海的同步加速器也確定了Mpro蛋白酶的分子結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)果于2020年2月4日發(fā)布到了全球蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中。由羅爾夫·希爾根費(fèi)爾德（Rolf Hilgenfeld）領(lǐng)導(dǎo)的呂貝克大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在BESSY Ⅱ光源上得出了第二種結(jié)構(gòu)，并于2020年2月20日發(fā)布到了bioRxiv的預(yù)印本服務(wù)器上。一周后，“鉆石光源”的晶體學(xué)家們又提出了第三種結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)都與之前工作中給出的結(jié)構(gòu)有一致之處，但進(jìn)行了更進(jìn)一步的完善。好幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在研究“鉆石光源”的晶體學(xué)家通過Zeno（由歐洲核子研究組織CERN運(yùn)行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)）提供的原始衍射數(shù)據(jù)?！般@石光源”的結(jié)構(gòu)生物學(xué)博士后大衛(wèi)·歐文（David Owen）表示：“世界上每個(gè)有能力研究這種蛋白質(zhì)的團(tuán)隊(duì)都會(huì)嘗試著做到這一點(diǎn)?！?/span>
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從0到1000——在10天之內(nèi)
“鉆石光源”是第一個(gè)將工作推進(jìn)到下一步的研究機(jī)構(gòu)，即快速篩選能與Mpro蛋白酶結(jié)合的化合物。在這一被稱為“片段篩選”（fragment screening）的過程中，研究人員將蛋白質(zhì)晶體在溶液中與成百上千的分子量為200~300道爾頓的有機(jī)化合物小分子配對(duì)，然后，在高通量的過程中對(duì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩查，以便篩選出有望能作為藥物使用的小分子?！霸诙潭?0天之內(nèi)，我們從零開始，篩選出了1000多種晶體結(jié)構(gòu)；到目前為止，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)60多種小分子能夠與Mpro蛋白酶這種蛋白質(zhì)結(jié)合”，歐文這樣說道。
與大多數(shù)輻射光源實(shí)驗(yàn)室一樣，“鉆石光源”也提供了自動(dòng)化的晶體學(xué)系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)人員可以在家工作并獲得數(shù)據(jù)。操作人員每天只需要加載一次晶體，“鉆石光源”每天可以產(chǎn)生數(shù)百種蛋白晶體與小分子化合物的組合，并以每小時(shí)30種的速度揭示它們的結(jié)構(gòu)。
通過篩選，“你可以了解藥物分子的哪些部分起作用，因?yàn)槟憧梢圆榭椿衔锏钠?，并查看這些片段是否單獨(dú)與蛋白質(zhì)分子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合”，赫里維爾這樣說道?！笆聦?shí)證明，在分子片段中尋找新藥是有效的，合成化學(xué)家可以利用這些信息，通過有機(jī)化學(xué)合成的方法將這些分子片段合成在一起?！?/span>
每個(gè)這種用于生物分子研究的大型輻射光源也都會(huì)向一些產(chǎn)業(yè)界的用戶開放。制藥公司和生物技術(shù)公司會(huì)用其進(jìn)行專門的研究，但他們也受益于學(xué)術(shù)界公開提供的結(jié)果?！拔覀?yōu)橹扑幑咎峁┝嗽S多分子結(jié)構(gòu)信息”，歐文說道。“我們已經(jīng)能夠?qū)pro蛋白酶的分子結(jié)構(gòu)以非常高的分辨率解析出——精度高于1.3埃米。在這種精度下，可以提供有關(guān)每個(gè)原子在結(jié)構(gòu)中的位置的非常精確的信息，這對(duì)設(shè)計(jì)藥物的人員非常有用。”除其他研究項(xiàng)目外，化學(xué)家們還將研究蛋白酶分子與他們構(gòu)建的小分子之間結(jié)合吸引力的強(qiáng)度和緊密性。
2020年3月31日，“鉆石光源”宣布，他們與Exscientia公司（英國(guó)的一家利用人工智能發(fā)現(xiàn)藥物的公司）和Calibr（斯克利普斯研究所的藥物開發(fā)部門）合作，針對(duì)現(xiàn)有的幾種藥物分子進(jìn)行了篩選——這些藥物分子在臨床上被證明能夠結(jié)合到SARS-CoV-2病毒的幾種靶蛋白分子上。如果發(fā)現(xiàn)這些藥物分子對(duì)病原體有抑制作用，那么，盡管仍然需要開展人體試驗(yàn)，但這些已獲得證明的藥物可以加快治療新冠疾病的進(jìn)程。
上圖：輻射光束資深科學(xué)家愛麗絲·杜安格瑪特（Alice Douangamath）正在英國(guó)的“鉆石光源”實(shí)驗(yàn)室中檢查一種新型冠狀病毒蛋白晶體的樣品?！般@石光源”的研究人員主要精力集中在新冠病毒的主要蛋白酶Mpro上，這種蛋白質(zhì)對(duì)病毒在人體宿主細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制至關(guān)重要。
Exscientia公司定量藥理學(xué)研究方面的負(fù)責(zé)人馬丁·雷德黑德（Martin Redhead）在一份聲明中表示，Exscientia公司將可以使用斯克利普斯研究所收集的15000種經(jīng)過批準(zhǔn)和經(jīng)過人體測(cè)試的藥物，要篩選的靶蛋白分子包括Mpro蛋白酶和刺突蛋白。其他一些制藥公司也正在與“鉆石光源”展開合作，但一位發(fā)言人拒絕透露這些公司的名字。
2020年4月2日，BESSY Ⅱ光源實(shí)驗(yàn)室開始針對(duì)Mpro蛋白酶進(jìn)行片段篩選，截至本文發(fā)稿時(shí)，科學(xué)家們正在分析數(shù)據(jù)。BESSY Ⅱ光源的大分子研究團(tuán)隊(duì)主管曼弗雷德·魏斯（Manfred Weiss）表示：“我們從150萬種可購(gòu)買到的化合物開始，所謂‘可購(gòu)買到’是指至少可以買到1毫克?！薄拔覀兏鶕?jù)分子量大小、溶解度和藥物化學(xué)家提出的一些規(guī)則，對(duì)這些化合物進(jìn)行了‘過濾’。”最終，約有1200種化合物符合標(biāo)準(zhǔn)。魏斯表示，典型的片段篩選會(huì)產(chǎn)生10~12種結(jié)合的化合物，這可以作為藥物研究的起點(diǎn)。他還補(bǔ)充說，“片段”這一術(shù)語具有誤導(dǎo)性，因?yàn)榉肿訉?shí)際上并不是任何東西的片段。
工業(yè)高分子晶體學(xué)協(xié)會(huì)-協(xié)作訪問團(tuán)隊(duì)（IMCA-CAT，注：這實(shí)際上是一個(gè)專注于藥物研發(fā)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)）的執(zhí)行董事麗莎·基夫（Lisa Keefe）表示，工業(yè)界已經(jīng)開始進(jìn)行片段篩選。IMCA-CAT是一個(gè)由行業(yè)資助的非營(yíng)利性協(xié)會(huì)，與學(xué)術(shù)界不同，它在使用APS提供的輻射光束時(shí)需要付費(fèi)。IMCA-CAT成立于1992年，其加入資格僅限于默克、輝瑞、百時(shí)美施貴寶、諾華和艾伯維等大型工業(yè)制藥公司。非會(huì)員公司也可以被安排使用IMCA-CAT的輻射光束。公司用戶可以對(duì)其自己發(fā)現(xiàn)的數(shù)量龐大的分子片段進(jìn)行篩選，而不必將結(jié)果公開?；虮硎?，她不會(huì)透露正在進(jìn)行藥物分子篩選的公司名稱或他們所研究的蛋白質(zhì)分子，但她同時(shí)也指出，在當(dāng)前的這場(chǎng)疫情危機(jī)中，“會(huì)員之間存在若干聯(lián)系”，以便對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行比較。
大多數(shù)學(xué)術(shù)研究人員無法訪問這些大型制藥工業(yè)公司的化合物數(shù)據(jù)庫(kù)，魏斯對(duì)這一點(diǎn)感到遺憾。不過，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)聯(lián)盟（Structural Genomics Consortium，SGC，該聯(lián)盟是一個(gè)兼具公共和私立性質(zhì)的國(guó)際非營(yíng)利組織）的負(fù)責(zé)人艾麗德·愛德華茲（Aled Edwards）表示，公開的和公司私有的化合物分子數(shù)據(jù)庫(kù)之間的區(qū)別并不大。他聲稱：“沒有證據(jù)表明其中一者比另一者要好得多?！?/span>
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電子與中子
除了晶體學(xué)方法之外，其他幾種技術(shù)也被用于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定。對(duì)于某些存在結(jié)晶抗性的分子，例如大型蛋白質(zhì)復(fù)合物，研究人員可以求助于低溫電子顯微鏡（cryo-EM，也稱“冷凍電鏡”）。由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的杰森·麥克萊倫（Jason McLellan）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用該技術(shù)確定了新冠病毒分子刺突蛋白的結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)果于2020年3月13日發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。刺突蛋白被認(rèn)為是疫苗作用靶點(diǎn)的主要候選分子，不過，由于刺突蛋白的基底部錨定在疏水性的病毒包膜上，而蛋白分子的其余部分是親水性的，因此全長(zhǎng)度的刺突蛋白質(zhì)分子很難結(jié)晶。
斯坦福大學(xué)的直線加速器中心里有6臺(tái)低溫電子顯微鏡，斯坦福大學(xué)專門將其中的1臺(tái)對(duì)外開放，用于SARS-CoV-2病毒的研究。“鉆石光源”實(shí)驗(yàn)室里有5臺(tái)可用的低溫電子顯微鏡，其專門將當(dāng)中的1臺(tái)留給工業(yè)界使用。
正如X射線晶體衍射技術(shù)一樣，利用冷凍電鏡技術(shù)，排列方式各種各樣的分子有助于最終結(jié)構(gòu)的確定，這是因?yàn)椋m然在晶體內(nèi)部分子的排列方式是相同的，但用冷凍電鏡觀察時(shí)，超低溫冷臺(tái)（溫度可低至零下185攝氏度）上的分子的排列方向是隨機(jī)的，分子越多，越能通過單個(gè)的二維投影圖像通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算等方式組合成一個(gè)清晰的三維圖像。
斯坦福直線加速器中心的冷凍電鏡和生物成像部門負(fù)責(zé)人趙華（Wah Chiu）表示，在理想的條件下，分子可以被良好地保存在電子顯微鏡的支撐網(wǎng)格上，大約需要10個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能收集到足夠多的數(shù)據(jù)以生成具有原子細(xì)節(jié)的分子結(jié)構(gòu)。較困難的情況下，可能需要48小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間。冷凍電鏡技術(shù)可以用于對(duì)玻璃態(tài)細(xì)胞的薄區(qū)域成像，并生成三維斷層圖，從中可以分辨出成熟的病毒顆粒。
除了研究非結(jié)晶分子之外，通過與先進(jìn)的圖像處理技術(shù)相結(jié)合，冷凍電鏡技術(shù)還可以從單個(gè)樣品中獲得多種蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象。該方法可觀察到不同生化和功能條件下蛋白質(zhì)分子的動(dòng)力學(xué)特性。趙華表示，冷凍電鏡的一種新興用途是揭示正常和病理?xiàng)l件下原位細(xì)胞結(jié)構(gòu)（即細(xì)胞結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)的原始位置）的整體構(gòu)造。
在蛋白質(zhì)分子的三維晶體結(jié)構(gòu)中是看不見氫原子的，這一特性非常重要，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子上最強(qiáng)的結(jié)合位點(diǎn)大都與氫鍵有關(guān)。在X射線晶體學(xué)中，光子在組成蛋白質(zhì)分子的各個(gè)原子形成的電子云中發(fā)生散射。作為最輕的元素，氫原子對(duì)X射線的散射極弱，因此，X射線晶體學(xué)專家通常只能推斷分子結(jié)構(gòu)中氫原子的位置，尤其是在酶反應(yīng)中，因?yàn)榇祟惙磻?yīng)經(jīng)常涉及一些可電離的氨基酸。相反，中子與原子核的相互作用可提供明顯的氫原子特征，其強(qiáng)度與蛋白質(zhì)分子中的氮原子、氧原子和碳原子相當(dāng)。
法國(guó)勞厄-朗之萬研究所（ILL）中子源實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家兼晶體學(xué)家馬修·布萊克利（Matthew Blakeley）指出，X射線在穿過晶體時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞分子結(jié)構(gòu)的自由基，為了限制自由基的擴(kuò)散，通常需要在100開爾文的溫度下收集X射線數(shù)據(jù)。相比之下，中子不會(huì)破壞蛋白質(zhì)樣品，因此可以在室溫下使用中子進(jìn)行晶體學(xué)研究。不利的一點(diǎn)是，根據(jù)科瓦列夫斯基的說法，中子束的強(qiáng)度要比X射線小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此收集結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可能要花7~10天的時(shí)間，這導(dǎo)致中子束技術(shù)不太適合用于分子片段篩選。此外，使用中子束技術(shù)還需要更大的晶體，而較大的晶體是很難生長(zhǎng)出來的。
美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2020年4月7日重新開放了其散裂中子源，并優(yōu)先用于針對(duì)SARS-CoV-2病毒的研究。該實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)中子源（高通量同位素反應(yīng)堆，HFIR）原定于2020年4月27日恢復(fù)運(yùn)行，對(duì)新冠病毒的研究將獲得使用這兩處中子源產(chǎn)生的射線束的優(yōu)先權(quán)。在之前新冠疫情大流行剛開始時(shí)，這兩處設(shè)施都已關(guān)閉，以進(jìn)行例行的定期維護(hù)。勞厄-朗之萬研究所的中子源仍處于關(guān)閉狀態(tài)，并且尚未確定重新開放的日期。
盡管X射線自由電子激光器（XFEL）對(duì)研究SARS-CoV-2病毒可能非常有用，但截至2020年4月初，斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源（LCLS）和位于德國(guó)的歐洲X射線自由電子激光器都已“下線”：LCLS已關(guān)閉以進(jìn)行升級(jí)，但斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室的發(fā)言人表示，在取消加利福尼亞州的“就地隔離”命令后，可能很快就會(huì)重啟；歐洲X射線自由電子激光器的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人伯恩德·埃伯林（Bernd Ebeling）在一封電子郵件中表示，一旦能夠重新運(yùn)行，該設(shè)備產(chǎn)生的射線將專門用于新型冠狀病毒研究。截至本文發(fā)稿時(shí)，尚不清楚日本的SACLA（目前世界上唯二的X射線自由電子激光器，另一個(gè)就是德國(guó)的XFEL）是否在進(jìn)行新冠病毒研究。
赫里維爾表示，與同步加速器相比，X射線自由電子激光器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它們可以在室溫下確定分子結(jié)構(gòu)；二是其飛秒級(jí)的脈沖長(zhǎng)度和較高的射線強(qiáng)度可以在輻射破壞蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)之前就收集到衍射數(shù)據(jù)——輻射損傷會(huì)改變蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，從而影響對(duì)蛋白質(zhì)分子功能的分析和闡釋。
鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，因此X射線自由電子激光器可以獲得亞微米級(jí)精度的晶體分子結(jié)構(gòu)信息。德國(guó)漢堡大學(xué)的拉爾斯·雷德克（Lars Redecke）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組在2012年使用LCLS報(bào)告了第一個(gè)用XFEL解決的新生物分子結(jié)構(gòu)。
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后續(xù)的需求
盡管研究的速度非?？?，但許多科學(xué)家仍然懷疑能夠抵抗新冠病毒的藥物或疫苗是否能及時(shí)問世以緩解目前的大流行。人體試驗(yàn)可能還需要一年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，即使對(duì)于已發(fā)現(xiàn)對(duì)新冠病毒具有一定作用的、已批準(zhǔn)的藥物或抗體也是如此。最近出臺(tái)的藥用化合物的時(shí)間表甚至更長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)聯(lián)盟的負(fù)責(zé)人愛德華茲表示：“同步加速器和冷凍電鏡都不會(huì)對(duì)這一波大流行產(chǎn)生重大影響，但是，這兩者都將成為使科學(xué)界做好準(zhǔn)備預(yù)防下一波暴發(fā)性流行的真正的有力工具?！?/span>
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)光子源的總監(jiān)斯蒂芬·斯特雷弗（Stephen Streiffer）對(duì)此表示異議。他認(rèn)為，任何已獲批準(zhǔn)的、對(duì)人類有用的現(xiàn)有化合物，如果被發(fā)現(xiàn)具有治療作用，那么都將立刻被投入到臨床使用之中。他指出，當(dāng)前的公共衛(wèi)生策略旨在延緩感染的傳播，直到疫苗問世并可以實(shí)際應(yīng)用為止。
喬奇米亞克對(duì)SARS病毒和MERS病毒（被認(rèn)為是2012年出現(xiàn)的“中東呼吸綜合征”的病原體）的藥物研發(fā)方面缺乏后續(xù)工作表示遺憾。他表示：“美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）在過去20年里花費(fèi)了7億美元去研究SARS和MERS病毒，可我們卻沒有開發(fā)出抗病毒藥物，沒有研發(fā)出抗體，也沒有針對(duì)SARS和MERS的疫苗。”他還指出，為應(yīng)對(duì)早期疫情而開發(fā)的藥物可能已經(jīng)對(duì)當(dāng)前的病原體產(chǎn)生了作用。
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