過(guò)去100年里X射線晶體學(xué)在解析物質(zhì)（尤其是生物大分子）三維結(jié)構(gòu)方面取得了巨大成功，包括DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、核糖體、GPCR等。然而X射線晶體學(xué)一般要求高質(zhì)量大尺寸的晶體；對(duì)于無(wú)法結(jié)晶的樣品，尤其是孤立的單個(gè)分子（isolated single molecule），要獲得其三維結(jié)構(gòu)仍然面臨極大的挑戰(zhàn)。

近期，上海交通大學(xué)張杰院士和向?qū)Ы淌陬I(lǐng)導(dǎo)的課題組利用在基金委國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目資助下研發(fā)的兆伏特超快電子衍射裝置，結(jié)合多束超快激光相干地操控分子，證明了一種可在不結(jié)晶的條件下實(shí)現(xiàn)單分子結(jié)構(gòu)解析的方法，并獲得0.7埃的分辨率；該工作以“Ultrafast isolated molecule imaging without crystallization”為題發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》[PNAS, 119, e2122793119 (2022)]。實(shí)驗(yàn)中利用四束飛秒激光脈沖相干地操控分子使得分子在特定時(shí)間處于相同的取向（類(lèi)似獲得分子“晶體”），同時(shí)利用接近光速（0.99 c）的超短電子束成功測(cè)量到處于短暫的準(zhǔn)直狀態(tài)（時(shí)間窗口約100飛秒，1飛秒=10-15）的分子的衍射斑，再結(jié)合相干衍射成像技術(shù)反演出分子的實(shí)空間分布。

超快單分子成像原理示意圖

相干衍射成像（coherent diffraction imaging）技術(shù)可利用衍射斑反演得到不具備周期結(jié)構(gòu)的樣品分布。由于要求單次散射僅測(cè)量一個(gè)樣品的信號(hào)，因此用于單分子成像時(shí)面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，即便利用目前自由電子激光大科學(xué)裝置產(chǎn)生的超短超強(qiáng)X射線，仍然無(wú)法在與單分子進(jìn)行散射時(shí)獲得足夠信噪比的信號(hào)。傳統(tǒng)的相干衍射成像技術(shù)之所以必須測(cè)量單個(gè)分子的衍射斑，是因?yàn)椴唤Y(jié)晶狀態(tài)的多個(gè)分子的取向一般處于隨機(jī)的分布，因而各個(gè)分子衍射斑的疊加會(huì)使得單個(gè)分子衍射斑的特征分布變得模糊。將多個(gè)分子的衍射斑疊加，盡管可以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，但是卻僅能獲得原子間距的一維信息，無(wú)法用于三維結(jié)構(gòu)重建。事實(shí)上如果分子的取向相同，則每個(gè)分子都具有相同的衍射斑，多個(gè)分子信號(hào)疊加后仍然能夠維持單個(gè)分子衍射斑中的特征分布；這樣便可利用多個(gè)分子同時(shí)進(jìn)行散射，實(shí)現(xiàn)了單分子散射的信號(hào)增強(qiáng)。

取向隨機(jī)分布的分子和取向相同的分子及產(chǎn)生的衍射斑

超快激光與分子相互作用時(shí)可以改變分子的取向，本實(shí)驗(yàn)中利用4束超快激光相干地對(duì)二氧化碳分子進(jìn)行操控，使得激光焦點(diǎn)的空間區(qū)域內(nèi)的大量分子（約1012個(gè)分子，相比單個(gè)分子的信號(hào)提高約12個(gè)量級(jí)）在約100飛秒的時(shí)間窗口內(nèi)處于近乎相同的取向，形成了瞬時(shí)的分子“晶體”。得益于兆伏特超快電子衍射裝置的高時(shí)間分辨率，可以在這100飛秒的短暫時(shí)間內(nèi)完成對(duì)準(zhǔn)直的分子“晶體”進(jìn)行衍射成像，并成功反演出二氧化碳的原子分布（線性分子，碳-氧間距為1.13埃，氧-氧間距為2.26埃），實(shí)現(xiàn)了0.7埃的原子級(jí)空間分辨。

利用四束超快激光提高分子的準(zhǔn)直度；準(zhǔn)直狀態(tài)下的衍射斑及重建的分子分布

這項(xiàng)工作將相干衍射成像技術(shù)拓展到單分子的尺度，實(shí)現(xiàn)了一種新穎的單分子結(jié)構(gòu)解析方法，該方法結(jié)合三維準(zhǔn)直及分子降溫技術(shù)后，有望應(yīng)用于更復(fù)雜的生物大分子結(jié)構(gòu)解析。此外，將分子準(zhǔn)直后再開(kāi)展泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)在分子坐標(biāo)系下研究分子的動(dòng)力學(xué)，有望比實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下的研究獲得更多的信息。

本工作主要由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2021YFA1400202），國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 11925505, 12005132, 11504232 and 11721091）和上海市科委重大項(xiàng)目 (No. 16DZ2260200) 資助，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生馬卓然、助理研究員鄒曉及博士后趙凌榮為文章共同第一作者。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122793119

新聞鏈接：https://news.sjtu.edu.cn/jdzh/20220409/170014.html

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