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作者，ScienceDaily, 英格兰数学教师。

翻译，sanshi，哆嗒数学网翻译组成员。

 

原文地址：http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150810091907.htm

 

蛋白质、病毒等纳米尺度物质的复杂结构的全面认识有助于帮助我们突破生物医学领域的某些最具挑战性的难题。但是这些东西要比人的头发丝的宽度的千分之一还要小，科学家无法直接观察到他们，并研究他们的形状和功能。

 

为了能够将自然环境中的蛋白质结构展现出来。科学家想到了利用大剂量的X射线对溶液中的微量蛋白质进行照射。并利用得到衍射图像作为关键性的信息来为蛋白质大分子重建分子结构。然而，传统的溶液散射技术常常由于技术局限，所能提取到的结构细节信息有限。随着高能光源技术的发展，研究者找到了新方法去克服这些局限。尤其是一种名为波动x射线散射（FXS）的新技术，FXS能够提供的细节信息较传统方法有数量级程度的增加。时至今日，缺乏有效数学模型来对（散射）数据进行解读，已经成为妨碍FXS技术走向实用的最大障碍。

 

劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的应用数学家杰Donatelli 和Sethian以及物理生物学家Zwart使用一种名为多层迭代相位法(M-TIP)的新颖的数学理论和算法来解决FXS数据重建结构的问题。使用他们的程序，使用普通的桌面电脑就能在几分钟之内快速确定大致结构。这是极为重要的一步，帮助我们打开生物物理学前进大门，并且引入了新的工具来协助生命科学中一些最具挑战的难题的解决。

 

就职于伯克利实验室物理生物科学部门的科学家兹瓦特Zwart表示：“这个消息令人振奋！尽管波动散射技术首次提出距今已有38年，但直到现代x射线光源技术的发展才使其真正具备实用性。而新的重建模型发挥出波动散射技术的优点，为其成为生物物理学常用技术提供了核心支持。”

 

克服传统成像技术的局限性

随着（X射线）光源技术的发展，衍射（图像）很多种方式得以实现。如果微粒能够结晶成大晶体结构，可以利用x射线照射晶体，通过结晶学来分析。但是，很多重要的结构过于松散难以结晶，或者其在溶液中的结构与结晶后结并不相同。

 

作为替代技术，结构生物学家从溶液中微粒获得衍射图像。然而，这种被称为小角X射线散射法/广角度X射线散射（SAXS/WAXS）的实验方法在成像过程中微粒会发生旋转，从而丢失信息导致对未知结构重建效果不佳。这就类似于我们拍摄旋转木马上的儿童时，因为照片曝光时间过长，导致图像模糊和细节丢失一样。

克服SAXS/WAXS局限性的一种方案是使用更快、亮度更高的（X射线）光源，这样照相时间能够比旋转扩散时间更短。而这有赖于美国能源部的新设备--自由电子激光器（FEL），如斯坦福大学的LCLS（电子加速器相干光源）。通过波动x射线散射技术获取的额外角关联信息，能够为待成像对象获取重构所需的更多的细节结构信息。然而，如何利用散射数据来重建分子结构？这类反推问题非常具有挑战性，时至今日依然是横亘在分子结构研究道路上的绊脚石。

 

M-TIP破译FXS数据的秘密

从波动散射数据中建立数据模型的部分难点在于,不像标准的（传统的）衍射图像测量的是衍射强度,并仅需要恢复丢失的复相信息。逆FXS数据还额外需要恢复三维强度信息。

这个团队的新算法M-TIP提供了将FXS数据与对于溶液的先验知识结合起来建立模型的方法,例如密度的上下界,尺寸,对称与否等,最终能同时得到强度,复相,和分子结构信息.

伯克利实验室的计算科学部门的数学家Donatelli解释道：“为了开发鲁棒（稳健）且高效的FXS重构算法，我们不得不解决一系列的复杂（非平凡）的数学问题。寻找FXS数据和结构之间的联系涉及到非常多调和分析和线性代数的内容，并且我们需要开发多种新的计算工具，例如极坐标傅里叶变换等。”

鉴于FXS依然是非常新颖的技术，没有公开的实验数据库可用。为弥补数据缺失，Donatelli, Sethian 和 Zwart利用各种测试形状来模拟产生FXS数据，以此检验他们的模型,测试数据中也包括五聚体门控离子通道受体（pLGIC）模型。实验证明他们的M-TIP算法利用样品的FXS数据，能够快速，准确，精细的重建样品形状。

 

 

CAMERA：利用跨学科交叉进行科学创新

这项工作是CAMERA开展的项目的一部分。CAMERA全称为能源研究中的高等数学应用研究中心。CAMERA是能源部先进科学计算研究办公室和能源科学基础研究办公室的合作项目，部门负责人是Sethian。CAMERA将数学家，实验科学家，计算科学家和软件工程师联合起来,开发设计新的数学工具和软件，解决国家能源局各机构的数据和图像问题，包括为同步辐射光源和纳米科学研究中心工作。

Sethian表示： “能源部的（X辐射）光源为这些绝妙的数学问题的研究提供便利，这些问题的解决能够对飞速发展的科学产生重大影响。Zwart对问题的深刻理解结合Donatelli在调和分析和分步迭代算法的研究背景，为重构FXS数据的新方法的产生打好了基础”

FXS的未来

LCLS（斯坦福大学的直线加速器相干光源）设备使用权限最近被授权给作者们参与一项大型的多机构合作，从多个不同的生物标本中来获取FXS数据。这将会允许研究者有机会去测试算法，进而使用重建算法对实验数据重建。

Zwart表示：“最终目标是提供给科学界一个强有力的新工具，使确定纳米尺度微粒的结构和动力学特性工作得以普及，满足大量的日常研究所需。目前看来，将FXS这项新技术成熟的并提供给结构生物学家的实验室中还需要一段时间，但是这个是一个非常重要的突破性进展。”

研究者强调可以利用超亮辐射光源取得被低温冷冻的粒子的现场FXS数据。国立卫生研究院最近授予Zwart和合作者新的探测器使用权，希望同步加速器能够助推研究工作。

 

伯克利实验室先进同步辐射光源实验室副主管Steven Kevan说：“探测器、X射线源和光学上的新进展带来了低温冷冻大分子波动散射仪器以及现代同步加速器的实用研究, 我们期待这项技术在应用先进同步辐射光源之后取得新的进展。

研究者指出这个新方法业已应用到生命科学的研究中,而且还能够扩展应用领域，用于材料和能源科技研究。这项工作资助单位包括:能源部科学办公室（先进科学计算研究办公室和基础能源科学办公室）、国立卫生研究院。先进同步辐射光源设施来自能源部科学办公室。

 

 

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