八九十年代：摩擦力难题

摩擦力指两个物体表面互相接触并发生相对运动所产生的力，其大小受接触面粗糙程度、接触角度、接触位置以及物体表面压力等因素的影响。

尽管一直以来分析型超速离心机（AUC）得到了包括加州大学伯克利分校 Howard Schachman 等备受尊敬的科学家们的支持，其对研究界的价值已久经考验，但20 世纪 80 年代初期，AUC 的光彩开始失色。

使这个问题愈加突出的正是三大“摩擦力”。

首先，越来越多的人相信一些常规实验难以采用 AUC，相反，人们认为它只对高度纯化系统以及力图深入了解溶液化学特性的研究人员具有价值。16

因此，许多生物化学家和分子生物学家开始使用凝胶渗透色谱、凝胶电泳等操作简单、成本低廉的技术手段测定分子量。此外，晶体学和核磁共振（NMR）技术开始崭露头角，AUC 更加无人问津。9事实上，在 20 世纪 80 年代的教科书里，已完全找不到分析性超速离心相关章节的踪影。

支持者们认为 AUC 比分子生物学的其他常规方法更易操作 —— 即使没有详细的定量分析，AUC 也可以提供简单易懂的溶液分子信息。例如，其出人意料的快慢分界，或有助于解释其他实验方法得出的令人困惑的结果。16

第二种摩擦力与第一种摩擦力密切相关。

尽管过去二十年 Fujita 已完成了开创性成果，但分析 AUC 产生的海量数据仍然复杂、耗时。从沉降速度数据（特别是复杂的混合物）中提取沉降系数、平移扩散系数、摩擦系数和浮力质量难度极大，原因在于 Lamm 方程分析尚未有简单的解决方案。16

第三，大众对生物高分子生物物理化学兴趣的减弱，使分子生物学和重组技术开始受到青睐。11

如果说 20 世纪 50 年代至 70 年代是 AUC 的“繁荣时期”，那么这种繁荣似乎即将落幕。

付出而有收获 —— 高达60,000 转速 

The Beckman XL-A analytical ultracentrifuge

Beckman XL-A Analytical Ultracentrifuge

事实上，没过多久就证明分析型超速离心机与拨号电话和八轨道磁带的命运不同，它注定不会被时代所淘汰。

到了 20 世纪 80 年代中期，人们发现核磁共振（高分辨率模式）与晶体学显然只适用于有限数量的生物大分子。此外，研究表明，凝胶过滤及凝胶电泳技术获得精确分子量的可靠性远低于AUC，而精确的分质量数据对于评价大分子组装体的亚基组成至关重要。9

具有讽刺意味的是，到了 20 世纪 90 年代，分子生物学和生物技术领域取得飞速进展似乎快要使 AUC 被丢进科学史的垃圾桶，比如生物治疗蛋白质研究要求对生物聚合物和纳米颗粒的物理相互作用有着更严格的理解。

结果，人们对 AUC 的兴趣重新燃起。

1992 年，贝克曼仪器公司推出一款改变游戏规则的新型分析型超速离心机 XL-A（如今称之为ProteomeLab XL-A，由贝克曼库尔特生命科学部生产），大大加快了“AUC 复兴”进程。

XL-A 具有 Spinco E 型的所有的分析能力，但其设计类似于 L 型，结构小巧，易于操作。与早期机型不同，其转子速度、温度和数据采集均已实现计算机化。

现在，持续数小时到数天的实验可以在最低限度人员干预的情况下自动进行，而且，随着实验的推进，研究人员可以实时查看分析数据。12

回想 Howard Schachman致电 Spinco 公司的 Ed Pickels 提出了改进建议，于是新款 XL-A 便采用了吸光度光学系统和扫描单色仪，使其可在 190～800 nm 波长范围内测定样品浓度。

此后，ProteomeLab XL-A 又添加了瑞利干涉光学元件，可以同时使用两种光学系统记录数据的仪器（ProteomeLab XL-I）从此诞生。

正如 Schachman 和 Pickels 几十年前所了解的那样，每种光学系统都有一定的优点和缺点。吸收光学元件在涉及核酸的实验及含强发色团大分子的检测方面极具应用价值。

相比之下，干涉光学系统更擅长分析缺乏强发色团的大分子（如多糖）以及包含强吸收缓冲成分的样品。它也是表征高度浓缩样品的首选光学系统。

不管使用哪种光学系统，XL-A 和 XL-I 超速离心机都是 AUC 历史上的非凡跨越之作。

早在 20 世纪 60 年代，对能够自我结合的简单蛋白质进行分子量测定和结合模式表征需耗时数周，即便在设备最齐全的实验室也是如此。现在，这种常规测量几天之内就可以完成。

因此，在 20 世纪 90 年代，AUC 并未被视为一种过时的方法，而是成为阐明越来越多的溶液大分子特性的首选方法，这些特性包括：

  • 粒径
  • 粒径分布
  • 纯度
  • 总体构象
  • 热力学非理想特性（包括维里系数和活度系数）
  • 自结合平衡常数
  • 配体结合及其与其他大分子结合
  • 大分子复合物稳定性
  • 自组装机制
  • 凝胶结构和大分子网络结构表征
     

由 Théodor Svedberg 于 19 世纪 20 年代构思、由 Beams 和 Pickels于 40 年代改进、继而由富有远见的 Arnold Beckman 于 50 年代投资的该项技术，再一次为全世界生命科学研究做出了重大贡献。

毋庸置疑，意义非凡。

恰在彼时，时任加州大学伯克利分校研究生院的研究生物化学家 Howard Schachman 教授——一位长期热衷于 AUC 的德高望重的学者——想出了一个展示 AUC 研究二聚体和三聚体稳定性的有趣方式。

但是，推动 AUC 跨进下一次实质性进展的，并非 Schachman 的猴模型，而是一个 Lamm 方程。

9 Harding SE. Analytical Ultracentrifugation and the genetic engineering of macromolecules. Biotechnol Genet Eng Rev 1993;11:317-356.
12Cole JL, Hansen JC. Analytical Ultracentrifugation as a contemporary biomolecular research tool. Journ Biomolec Tech 1999;10:163–176.
14 Howard Schachman, “University of California Professor of Molecular Biology: Discussions of His Research Over His Scientific Career From the 1940s Until 2010,” conducted by Sondra Schlesinger between 2007 and 2010, Regional Oral History Office, The Bancroft Library, University of California, Berkeley, 2010.
16 Laue T. Analytical ultracentrifugation: a powerful ‘new’ technology in drug discovery. Drug Discovery Today: Technologies 2004;1(3):309-315.

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