德研究团队突破单粒子衍射成像技术难题 助力分子结构解析

光学激光器可用于对准复杂的生物分子，实现单分子成像

近日，德国电子同步加速器(DESY)自由电子激光科学中心的研究人员与国际同行合作，在单粒子衍射成像(SPI)技术领域取得重要进展。该技术利用X射线自由电子激光重建纳米粒子和生物分子的三维结构，但传统方法需对数十亿个粒子成像，且图像清晰度受限。此次研究通过激光诱导取向技术显著改善了分子成像效果，为解析蛋白质等大分子结构开辟新路径。

激光诱导取向技术基于分子各向异性极化率与激光脉冲电场的相互作用。激光脉冲在分子中诱导瞬态电偶极矩，使其跟随电场方向旋转，最终实现分子轴与激光偏振方向的最优对齐，从而在空间中固定分子取向。这一技术有效克服了单粒子衍射成像中分子随机取向导致的3D重建难题。

研究团队通过计算验证，当前标准激光技术可对纳米颗粒和蛋白质实现强取向。分析国际蛋白质数据库(PDB)中15万种蛋白质后发现，多数蛋白质在实际实验条件下均可被有效取向，显著提升其在单粒子衍射实验中的可见性。相关成果已发表于《美国化学会志》。

此外，研究人员预测，将分子冷却至低温(该团队正在推进的技术)可进一步增强分子排列，减少辐射损伤，优化成像效果。这一突破对结构生物学和纳米技术意义重大，有望推动药物研发、生物分子研究和材料科学领域的创新。

未来，研究团队计划将激光技术与XFEL成像结合，目标实现亚纳米级分辨率，助力分子动力学的实时可视化，为科学研究提供更精细的工具。