美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家Tom Terwilliger說：“我們身體中的每個細(xì)胞和每個細(xì)菌、每個病毒中都有微小而復(fù)雜的蛋白質(zhì)分子，它們合成化學(xué)物質(zhì)、復(fù)制遺傳物質(zhì)，彼此打開和關(guān)閉，并將化學(xué)物質(zhì)運輸通過細(xì)胞膜。了解所有這些分子機(jī)器如何運作，是開發(fā)新療法用以治療遺傳性疾病、以及開發(fā)新方法來制造有用材料的關(guān)鍵。”

為了了解一種分子機(jī)器是如何運作的，你必須能夠看到它們是如何組合在一起的，所有的部分如何組裝在一起。這就是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究所在。這些分子機(jī)器很小：一百萬個分子機(jī)器并排放置，只占用小于一英寸的空間。然而，研究人員可以用X射線、晶體和計算機(jī)看到它們。研究人員產(chǎn)生了一種蛋白質(zhì)機(jī)器的數(shù)十億個拷貝，將它們?nèi)苡谒?，并培養(yǎng)蛋白質(zhì)晶體，就像培養(yǎng)糖晶體那樣，只是這種分子機(jī)器要大于一個糖分子。

然后，他們用一束X射線照射晶體，并測量所產(chǎn)生的數(shù)千個衍射X射線點的亮度。然后，研究人員使用洛斯阿拉莫斯國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）、杜克大學(xué)和劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的強(qiáng)大Phenix軟件，來分析衍射斑點，并產(chǎn)生了一個單一蛋白質(zhì)機(jī)器的三維圖片。這副圖片可確切地告訴研究人員蛋白質(zhì)機(jī)器是如何組合在一起的。

最近，洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學(xué)家與LBNL和劍橋大學(xué)的同事合作，使得可視化一種分子機(jī)器變得更加容易。在12月22日《Nature Methods》發(fā)表的一篇報道中，洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學(xué)家及其研究小組表明，他們可以利用以前無法進(jìn)行分析的X射線衍射斑點，獲得分子機(jī)器的三維圖像。

一些分子機(jī)器包含一些金屬原子或其他原子，這些原子衍射X射線與碳、氧、氮和氫原子（構(gòu)成了蛋白質(zhì)中大多數(shù)的原子）不同。Phenix軟件首先發(fā)現(xiàn)了這些金屬原子，然后利用它們的位置去尋找其他原子。然而，對于大多數(shù)的分子機(jī)器來說，金屬原子必須被人為地納入分子機(jī)器以使其都能夠運作。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學(xué)家的這一最新進(jìn)展表明，這種強(qiáng)大的統(tǒng)計方法可以應(yīng)用于尋找金屬原子，即使它們與其他原子散射X射線非常地不同。甚至像硫這樣的金屬原子（是幾乎所有蛋白質(zhì)的自然部分）都可以被發(fā)現(xiàn)，并被用來產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)的三維圖像。既然有可能看到一種蛋白質(zhì)的三維圖像，而無需人為地將金屬原子納入它們，那么我們應(yīng)該能研究更多的分子機(jī)器。

最近在三維細(xì)節(jié)上所觀察到的分子機(jī)器，包括一個“巨大”的分子機(jī)器稱為Cascade，在今年夏天已經(jīng)發(fā)表在《Science》雜志。Cascade機(jī)器存在于細(xì)菌中，可識別來自于感染細(xì)菌的病毒的DNA。Cascade機(jī)器是由11個蛋白質(zhì)和一個RNA分子構(gòu)成，看起來就像一個海馬，RNA分子蜿蜒穿過海馬的整個“身體”。如果細(xì)菌細(xì)胞中的一段外源DNA，與RNA分子的一部分互補(bǔ)，那么另一個專門的機(jī)器就可以找到并切割這段外源DNA，使細(xì)菌免于感染。

Phenix軟件的開發(fā)者——洛斯阿拉莫斯國家實驗室和劍橋大學(xué)科學(xué)家，屬于首次可視化這種蛋白機(jī)器的一個研究小組。Phenix軟件已被用來確定超過15,000種不同蛋白質(zhì)機(jī)器的三維形狀，這個軟件已被超過5000家科學(xué)刊物引用。