Dogecoin - An open-source peer-to-peer digital currency (访问: hash.cyou 领取999USDT）

　　中子自旋回波[1](neutron spin echo，NSE)是一种中子散射实验技术[2]。它利用极化中子的自旋在磁场中的拉莫尔进动原理对中子的自旋进行操控，可检测到中子能量在散射前后的微小变化(neV至μeV级)，该能量变化又对应了时间尺度在ns到μs之间的蛋白质结构域动力学性质，使中子自旋回波技术具备揭示蛋白质内结构域动力学性质的能力。其他中子散射技术，如小角中子散射(small angle neutron scattering，SANS)和中子衍射(neutron diffraction，ND)多应用于研究生物大分子在原子分子层面的结构，准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering，QENS)、非弹性中子散射(inelastic neutron scattering，INS)可以探测到皮秒级的蛋白质动力学性质[3，4]，中子自旋回波在较大范围内填补了蛋白质结构域动力学的可探测时空尺度，与其他散射实验技术互补，有助于进一步揭示蛋白质内部结构域的动力学行为[5]。

　　生命在于运动，蛋白质作为生物系统这种复杂分子机器的重要组成部分之一，理解它的结构和运动对于研究生命的运作机理至关重要[6]。蛋白质是一种大分子，常由氨基酸排列组合成长肽链，再经过复杂的折叠乃至组装拼接后成为有各种生物功能的蛋白质复合体。蛋白质的功能运作通常伴随个别原子、基团或亚结构为单位的结构域之间的构型变化，其运动方式和构象变化都对它在生物系统中执行的功能起着决定性的影响。不同尺寸、不同结构、不同功能的蛋白质内部结构在时空尺度上的差异跨度非常大，运动的时间尺度可以从fs到s级，空间尺度覆盖Å到微米级，蛋白质结构域运动刚好处于中子自旋回波技术可以适用的探测范围。目前对蛋白质结构域运动的中子自旋回波实验研究中，还离不开对其静态结构的详细了解(较为常见的有蛋白质晶体学衍射方法、冷冻电镜、核磁共振和原子力显微镜等方法)，将中子自旋回波实验结果与其他散射和非散射的实验技术得到的结果相互参照，方可得到完善的蛋白质内部结构域的动力学特征和相应的功能性质。在可以预见的未来，中子自旋回波散射实验会成为研究蛋白质结构域动力学性质最有力的手段之一。

　　早在50多年前，就有科学家尝试利用中子在磁场中的拉莫尔进动提高热中子散射的能量分辨率，以探测当时既有实验方法无法看清的物理性质，比如高分子的微观动力学过程。1969年，苏联科学家G. M. Drabkin等人首次在实验中测到了中子在磁场中的拉莫尔进动 [15]，但他们的工作受时局所限，未能直接推动中子自旋回波技术的发展。1972年，匈牙利科学家F. Mezei独立研究了中子在磁场中的拉莫尔进动，并系统性地提出了中子自旋回波技术的基本原理和方法 [16]，同时在匈牙利布达佩斯的BRR(Budapest Research Reactor)进行了最初的实验仪器搭建与验证。随后的1973年，法国格勒诺布尔的劳厄-郎之万研究所(ILL)设计了世界第一台实用性的、通过检测极化中子在磁场中的拉莫尔进动以提高能量分辨率和尺寸分辨率的准弹模式中子自旋回波谱仪IN11，在1977年建设完工并测试后，于1978年开放使用。后来在中子自旋回波的原理基础上，又进一步发展出了横向共振型中子自旋回波TNRSE(transverse neutron resonance spin-echo，有时直接简称NRSE) [17，18]、纵向共振型中子自旋回波LNRSE(longitudinal NRSE) [19，20]，以及可以测量样品磁特性的零场中子强度调制MIEZE(modulated intensity with zero effort)等技术。

　　与此同时，中国绵阳研究堆(China Mianyang Research Reactor，CMRR)正在建设调试一条中子自旋回波谱仪束线，其借鉴了德国RESEDA采用的三臂双模式布局，由一条入射主磁场臂、一条LNRSE出射臂、一条MIEZE出射臂构成，分别安装两台谱仪。相较于日本VIN-ROSE采用的TNRSE只有较小的关联时间取值范围，CMRR的C32采用的布局和设计选型既能使用LNRSE获取较大的关联时间取值范围，又能利用小体积线圈的优势，获得较大散射角度调整范围，还能在同一条束线上复用入射引导磁场的线圈组和射频翻转器，设置另一套MIEZE设备，实现更多探测功能。其中LNRSE谱仪已于调试中成功获得自旋回波信号 [37]，最大关联时间达到14 ns，单色中子可取波长范围0.4—1.2 nm。这台从无到有、自主研制谱仪的落成，为中国实现了中子自旋回波谱仪零的突破，也是国际上继RESEDA之后的第二台采用LNRSE技术的先进装置。虽然中国的首台中子自旋回波谱仪在测试中的个别指标目前仍不及国际顶尖装置的水平，但它的设计理论极限极高，理论最长关联时间可达1 μs，中国的科学家和工程师们还在不断探索并努力优化设施，追赶国际先进水平，终将让国内的科研工作者们可以不出国门就用上最先进的中子自旋回波设备，开展最前沿的研究。

　　若想充分利用中子自旋回波揭示蛋白质中粒子的动力学行为，首先需要对其静态结构有完善的了解。可以通过电子显微镜、晶体学衍射、小角散射、NMR等方式，先获取研究对象的大体结构，再使用理论模型建立其运动张量，拟合有效扩散系数 D e得到其中各项动力学系数。受限于实验设备实际可探测的尺寸分辨率，一种经过实践可行的折中做法是：将蛋白质大分子中可区分的结构域进行划分，建立刚体粒子的球棍模型，将其结构域之间的运动近似为弹性谐振运动或过阻尼运动 [38，39]等，由此拟合蛋白质内部结构域(次级粒子)的运动张量(图4)。另外可以结合第一性原理计算、分子动力学模拟等手段 [40，41]，对其结构和动态行为进行更深入的研究和分析。

　　在蛋白质分子动力学研究中，如果只关注单个蛋白质大分子的内部运动，通常把蛋白质制备为稀溶液，一般可以认为浓度在0.3% w/v (质量/体积，取g/mL)以下的溶液满足稀溶液模型。利用稀溶液极限下 S( Q)→1的近似，有 F ( Q , t )≈ F s ( Q , t )。此时，中间散射函数只包含 S self( Q, t)一项，即蛋白质在稀溶液状态下，中子自旋回波测得的就是单个蛋白质分子的动力学信息。2005年，卜子梅等人结合了J. M. Schurr的工作，在高分子高斯链(串珠弹簧随机链)模型的基础上，将蛋白质大分子拆解、抽象为刚性的结构域粒子，结构域之间有软性连接，考虑粒子间的相对平移和转动，发表了关于中子自旋回波实验应用于探测稀溶液中蛋白质结构域动力学的模型 [43]：

　　在2005年发表的成果中 [43]，卜子梅等人利用中子自旋回波实验研究Taq DNA聚合酶，且一并提出了中子自旋回波研究稀溶液中蛋白质结构域的建模分析方法。而后B. Farago等人在2010年发表成果 [49]，沿用稀溶液中的结构域建模方法，解析了NHERF1与FERM复合体蛋白内部结构域间的运动 [50]。实验上，他们使用氘代技术对NHERF1-FERM复合体中特定蛋白质的氢原子进行氘代处理，以此凸显和掩盖特定区域的中子自旋回波信号；分析上，他们将每一个结构域单独看作一个刚性粒子，建立该复合体蛋白质结构域的运动模型，计算拟合不同部位氘代样品经中子自旋回波实验获得的 D e，以证明所建立的结构和弹性运动模型可以贴切地反映蛋白质内部结构域线 利用中子自旋回波研究NHERF1-FERM蛋白质复合体的结构域运动，使用刚体和软体模型分析实验数据[5，49，51] (a)NHERF1-FERM蛋白质复合体的结构模型，用于建立其运动张量；NHERF1中有两个PDZ域，FERM与其中的PDZ2端相连的CT结合，其与PDZ1的距离大约11 nm，会产生相对明显的结构域间的运动；(b)对中子自旋回波数据处理得出的有效扩散系数进行拟合分析，样品均为NHERF1-FERM蛋白质复合体，红色数据(方块)采集自FERM蛋白经氘代标记的复合体样品，蓝色数据(方块)采集自非氘代的复合体样品；实线使用刚体模型拟合，虚线使用考虑了结构域间动力学行为的弹性模型拟合

　　在考虑蛋白质浓溶液的中子自旋回波实验数据处理并解析与蛋白质内部结构域动力学性质时，R. Biehl等人分别以5% w/v浓度的PGK酶蛋白溶液和5% w/v浓度的ADH酶蛋白溶液为研究对象 [50]，随后于2012年与N. Smolin等人合作，使用GROMACS [52]软件对此3PGK实验体系进行了分子动力学(molecular dynamics，MD)计算模拟 [40]，得出了和先前实验相吻合(在可接受的差异范围内)的结果，并将蛋白质内部的结构域运动进一步可视化(图6)。随后J. C. Smith课题组对PGK蛋白溶液体系继续深入研究 [53]，使用SANS实验和MD模拟结合中子自旋回波数据，研究解释了PGK结构域内部扩散系数与其内部结构因子呈反比关系背后的原因。在他们的另一个工作中对汞离子还原酶MerA及其柔性连接复合体fl-MerA(flexible linker，fl)进行了多视角的研究，在原子级分辨率解析了其静态结构和结构域间的动力学 [54]。

　　随着用多种实验综合表征、共同分析方法的展开，蛋白质内部的大尺度运动也可被中子自旋回波实验观测到。在2015年发表的一篇关于Y型人类免疫球蛋白IgG内部结构的研究中 [55]，L. R. Stingaciu等人使用了解耦合方法建立模型，分析了该蛋白质氘代样品的中子自旋回波实验数据，并结合SAXS和DLS实验，揭示了IgG三个刚体结构域之间的弹性连接可由简单的谐振势描述，展现了复杂的免疫系统背后有着简单的动力学原理。M. Katava等人在2016年的工作 [56]中使用中子自旋回波实验结合SAXS和DLS实验，以及MD模拟软件GROMACS提供的PCA(主要成分分析)和粒子轨迹追踪等分析手段，研究了真核生物乳酸脱氢酶LDH蛋白在温度改变的影响下产生较大范围的内部运动，发现其类似于在细菌LDH上观察到的别构效应。J. C. Smith组的工作 [57]则展示了结合中子自旋回波、中子背散射以及MD模拟研究细胞色素蛋白CYP101在两种解析结构间转变的结构域动力学行为。

　　时至2021年，B. Farago和I. D. Nicholl等人在已使用中子自旋回波研究α-catenin蛋白质结构域动力学的基础上 [58]，又发表了对ABE(E-cadherin·β-catenin·α-catenin)复合物结构域动力学的中子自旋回波研究 [59]。ABE复合蛋白是粘附分子与细胞骨架相连的重要蛋白网络，有着更为复杂的结构域间运动行为，也是经典的蛋白质复合物研究对象。他们对三个组成蛋白分别进行氘代并组合成复合物，对特定结构域起到选择性氘代的效果，实现不同结构域中子散射信号强度的区分，以利用中子自旋回波获取各个结构域的动力学行为。通过建立不同结构域运动模型，结合SAXS实验和MD计算模拟结果，他们成功地分析了ABE复合物在纳秒到微秒时间尺度上的激活行为，并进一步从熵的角度解释了复合物与特定肌动蛋白的结合行为受到张力调控(图7)。

　　经历了50余年[16]的理论发展与技术进步，中子自旋回波谱仪设备在世界各地的中子源[60—62]建设落地，还有若干谱仪正在建设中。中子自旋回波技术在各个学科领域的应用都取得了长足进展，尤其是在研究软物质和生命科学方面的优势逐渐为更多人所知。它的探测精度高、时空信息覆盖范围广，相较于使用其他束流的探测实验手段，中子自旋回波技术使用冷中子作为探针，其能量较低、不易破坏生物质样品的分子结构，可以采用氢的同位素替代手段实现探测信号的衬度变换，获取特定位点、特定区域、特定界面的结构、成键、运动等信息，使得中子自旋回波成为研究蛋白质单体、多蛋白复合体、蛋白-DNA复合体以及其他各种生物大分子单体或复合体的内部结构域动力学特性方面的最佳实验手段之一。针对蛋白质结构域这些动力学特性的研究可以辅助科学家理解许多重要生物过程的动态机理，还能对药理的研究提供参考与帮助，促进新型药物的研发和筛选。然而，尽管中子自旋回波实验原理和方法提出至今已有50余年，全球范围内中子自旋回波谱仪设施总量稀少、实验样品条件苛刻、数据采集时间偏长、数据分析处理较难等客观因素仍旧制约着中子自旋回波的广泛使用，加之其相对较短的发展历史，与X射线散射等其他实验探测手段相比，已发表的中子自旋回波实验研究成果并不算多，利用中子自旋回波实验研究生物质、蛋白质结构域动力学的成果数量更是相对匮乏，模型方法的泛用性和可靠性依旧有待进一步发展[44]。将中子自旋回波技术应用于研究蛋白质结构域动力学时，要与其他实验，如小角度、广角度、掠入射的中子散射，还有X射线散射、单分子荧光光谱、拉曼光谱、红外光谱、非弹性X射线散射、非弹性中子散射、核磁共振、DLS等等实验结果相结合[41]，方可实现对研究对象的静态结构和动态行为有多角度、多因素的了解，联合多方面实证结果对中子自旋回波实验数据进行分析，解出贴近真实情况的动力学特征。虽然目前中国还没有对用户开放使用的中子自旋回波谱仪，但随着绵阳CMRR的LNRSE谱仪的落成，国内的科研工作者们在不久的将来就可以方便地用上世界一流的中子自旋回波谱仪设备，对包括蛋白质结构域动力学在内的各类适用中子自旋回波研究的前沿课题进行研究。