结构分子生物学进展
丁香园
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结构分子生物学进展
梁栋材
随着学科的交叉渗透和科学技术的迅速发展，一个极其重要的分支学科——结构分子生物学正在高速发展，并已成为当前分子生物学中的一个重要前沿学科。结构分子生物学是结构生物学中最活跃的研究层次，它是在分子层次上从结构角度特别是从三维结构的角度研究和阐明当前生物学中各个前沿领域的重要学科问题。结构分子生物学是一个包括生物学、物理学、化学和计算数学等多学科交叉的，以结构（特别是三维结构）测定为手段，以结构与功能关系研究为内容，以阐明生物学功能机制为目的的前沿学科。
众所周知，生物大分子发挥其生物学功能（包括分子间的识别、结合，能量及信息的传递等相互作用）必需具备：（1）稳定的特征的三维结构，（2）其三维结构在各个水平上的运动。而各个层次的生命活动都是建立在生物大分子的结构、运动及其相互作用的基础上。50年代核酸双螺旋结构模型的确定及其后肌红蛋白与血红蛋白三维结构的阐明为分子生物学奠定了学科基础。过去、现在和将来分子生物学中的每一个前沿突破都是并必将是与其三维结构研究的突破密切相关。生物大分子的结构与功能研究是分子生物学的基础和学科前沿，它更是分子生物物理学的核心。
结构分子生物学对生物大分子（包括多亚基、多分子的复合物及复杂的复合体）三维结构及其运动的研究手段主要有：X射线单晶衍射—蛋白质晶体学，二维及**核磁共振谱，电子晶体学及电镜三维重组，中子衍射，其他包括应用傅里叶变换技术的各种谱学方法。他们都各有自身特有的优越性和不足。然而，无论从已测定生物大分子三维结构的数量上（见附表）、在精确度上和它的发展潜力上，X射线单晶衍射方法—蛋白质晶体学—至今及可见的未来仍占统治地位，都是其他手段不可相比的和不可代替的方法。二维及**核磁方法发展较快，到现在为止可以解决分子量高达2万～3万的三维结构，一些生物大分子无法获得结晶，其结构可以在溶液中测定，这样实际上它是与蛋白质晶体学互补的一种重要方法。近些年来电子晶体学特别是电镜三维重组的方法发展也很快并已取得了许多令人瞩目的成就，特别是一些难以堆积为三维晶体的诸如膜蛋白等生物大分子，以二维结晶获得了三维结构诸如高等植物捕光蛋白复合物Ⅱ（LHC-Ⅱ）结构的分辨率最近报告已达0.34纳米等。虽然所提供的结构信息量远不如上述方法，其它谱学方法，特别是质谱方法，发展也很快，在生物大分子三维结构研究中起重要作用。
结构分子生物学至今为止已有好几位诺贝尔奖金获得者，F.H.C. Crick和J.D. Watson确定核酸双螺旋结构而获1962年生理与医学奖；M.F.Perutz和J.C.Kendrew阐明了血红蛋白与肌红蛋白结构获1962年化学奖；D.M.C.Hodgkin由于对维生素B12结构的研究成就而获1964年化学奖；A.Klug由于对病毒结构研究的突出贡献而获1982年化学奖以及1988年西德的R.Huber教授及其合作者由于紫色细菌光合反应中心的三维结构研究成就而获化学奖。这些都是一些标志着结构分子生物学发展的里程碑。
80年代在国际上迅速崛起的蛋白质工程及药物设计已充分表明结构分子生物学是当前生物高技术应用研究的重要前提和保证。其中也显示了蛋白质晶体学方法—作为生物大分子三维结构测定的手段所具有不可取代的重要性。
当前结构分子生物学发展的趋势有如下几个特点：
1.生物大分子三维结构测定在高速度发展。为了使研究成果能够及时交流和广泛应用，1973年国际晶体学会建立了“蛋白质银行”（Protein Bank），专门接受储存世界各国已测定的生物大分子三维结构（原子坐标）和原始数据，以供世界各学科领域的学者索取、使用。附图是记录了从1989年至1992年每月存入蛋白质银行的生物大分子三维结构（原子坐标）的套数。显然，从图可见，存入的结构的套数与月俱增，从1989年每月不到10套到1992年底递增每月近60套，呈朝上的抛物线激增。附表列出最近两年总共存储在蛋白质银行的结构全部套数，其中也给出了用核磁共振（NMR）方法所测定的溶液结构的情况。这种激增的势头仍在上升，已有人预测，在进入21世纪之前，存入蛋白质银行的生物大分子三维结构的套数将会净增2800套以上，即平均每天将存入一套。跨入21世纪以后的速度就更难以预测了。
2.结构分子生物学的研究成果越来越受到生命科学各个相关领域的重视和引用。当前，任何一本与分子生物学相关领域的专著和教科书都在大量引用结构分子生物学的研究成果，任何一篇与分子生物学相关领域的优秀科学论文都会尽可能地运用生物大分子三维结构的研究结果，从而能更深入地阐明有关生物学机理等前沿学科问题。此外，在一些著名的国际期刊如J.Mol.Biol.和Nature等重要的核心刊物所刊登与结构分子生物学有关的论文与日增，而1991年创刊的《Macromolecular Structure》和《CurrentOpinion in Structural Biology》，1993年创刊的《Structure》以及1994年创刊的《Nature Structural Biology》等重要国际期刊几乎全部都是刊登结构分子生物学的最新研究成果，可见结构分子生物学在当前和未来生命科学中的重要位置。
3.国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近几年内突破的，如：细菌光合作用反应中心（Photosynthetic reaction centrefrom rhodopseudomonas viridis）、细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin）、C—藻蓝蛋白（C—phycocyanin）、人组织相合性抗原Ⅰ（Human classⅠhistocompatibility antigen， HLA-A2）、人生长激素与受体复合物（Human growth hormone-receptor complex）、类人猿（Simian）病毒40、人鼻病毒14（human rhinovirus 14）、人免疫缺乏性病毒蛋白酶（HIV protease）、CD4（与HIV有很强结合能力的一种细胞表面的糖蛋白）、口蹄疫病毒（Foot and mouth diseaes virus）、高等植物光合作用系统Ⅰ（System Ⅰ of photosynthesis，PSI）、高等植物捕光蛋白复合物（LHC-Ⅱ）等等许多世人所瞩目的重要结构研究都是近些年来完成的。三维结构的突破极大地推动了与其相关的学科前沿领域的研究，许多重要的作用机制因而得以阐明。
4.结构研究已由单一分子进入研究分子之间相互作用的复合物结构分子。诸如激素与其受体，酶分子与其底物，蛋白质分子与核酸、抗体与抗原（或抗抗体），药物分子与受体等等复合物的三维结构研究成就使人们更深入和直观地获得大量有关它们作用机理的重要信息和规律。除了极多重复亚基聚合的复杂的病毒结构研究之外，近年来多个不同亚基、多个不同分子所构成的复合体的复杂结构已由诸如细菌光合作用反应中心发展到对由60个不同的蛋白质分子和三条RNA链所组成的分子量为230万的核糖体（Ribosoms）结构的整体研究，其X射线晶体学研究已在85K低温下，用同步辐射收集了0.29纳米分辨率数据，一种由十一个金原子构成的原子簇化合物的重原子同晶置换已经成功地获得，并已收集了X射线衍射数据；其二维晶体的电镜三维重组研究也十分顺利，在0.30～0.47纳米分辨率的三维重组结构模型中已给出了许多极其宝贵的结构与功能的信息。核糖体整体的三维结构研究将会是结构分子生物学发展历程中的另一个里程碑。当我们踏入21世纪的时候，核糖体整体的三维结构将会在较高分辨率上得到解析和精化，从而有关蛋白质生物合成以及新生肽链折叠盘绕等许多奥秘将会逐步被揭示。可以想像，诸如肌球蛋白—肌动蛋白复合物、病毒—抗体复合物、药物—受体复合物，线粒体亚基、网状的糖蛋白、脂包裹的病毒如风疹病毒和麻疹（Measles）等乃至高等植物光合作用的组件（复合体）、包含有膜蛋白的生物膜组件（复合体）和细胞器等一些极其复杂的生物组件的三维结构都有可能在进入21世纪后得到突破。
5.蛋白质晶体学研究从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入了动态（时间分辨）的结构研究及动力学分析。由于同步辐射光源具有极高的光通量、高度单色和高度准直，它也可以调制成脉冲式光源，为瞬时结构变化研究提供了可能性。为了连续记录瞬时结构变化的X射线单晶衍射谱，人们已设计出各种类型的与脉冲式光源相匹配的、能快速脉冲式微量平移的Laue（平板型）摄谱仪。近年来，时间分辨率为1～10毫秒的X射线单晶Laue衍射方法的连续摄谱已经成功，这一时间尺度对于研究生物大分子之间的相互作用过程中二级结构之间的运动是十分合适的，它为诸如酶分子与其底物的相互作用，蛋白质分子的折叠卷曲运动等动态结构研究提供了有力的手段。随着同步辐射光源的光通量的提高和方法与摄谱仪的不断改进，当跨入21世纪的时候探测时间分辨为纳秒量级的结构动态变化将是可能的。在这一时间尺度上，人们将有可能直观地探测到诸如在小肽段内的折叠卷曲、在蛋白质分子内部环（ring）结构的反转以及有关螺旋—盘绕的转移等许多有趣的结构运动现象。另外，从理论上和实践上，探索从X射线单晶衍射的精细衍射谱中获得在晶体中有关生物大分子动力学方面的信息也将越来越为人们所关注。
6.技术和方法在高速发展。同步辐射光源已逐步作为常规光源广泛被应用，正在兴建的具有更高光通量的同步辐射光源，诸如在日本姬路兴建的Spring-8等新一代的同步辐射装置将会在进入21世纪前投入使用，并向世界各国科学家开放。计算机硬件和软件的迅猛发展和图像显示技术的进步等都一直在为结构分子生物学的发展提供着机会和条件。先进的工业技术的发展也不断地为电子晶体学和核磁共振的研究提供更先进的手段，更高分辨率的电镜和750兆赫的超导体的核磁共振仪早以进入一些实验室。显然，跨入21世纪后技术的发展将会出现飞跃，它们给结构分子生物学研究手段的发展将会有更大的推动。
相位问题对于小分子的晶体结构测定已经基本得到解决，然而它仍然一直困扰着蛋白蛋晶体学者。生物大分子晶体结构测定中相位问题的解决一直都是沿用1953年M.F.Perutz创建的重原子同晶置换方法和1957年W.Hoppe首先提出并经许多学者不断给予完善的分子置换方法，它们的成功与完善一直推动着蛋白质晶体学前进。与此同时，希望将已成功地用于小分子晶体结构分析的直接法应用于生物大分子晶体结构测定的探索一直没有停止，并不断地取得了许多可喜的进展。由于生物大分子晶体结构的特殊性，十余年来这一方面的进展仍然十分有限。然而人们可以期望，当进入21世纪的时候，直接法在蛋白质晶体学中的应用将可能有一个较大的突破。然而，蛋白质晶体学家们可能对跨入21世纪以后抱着更高的奢望，这就是将激光X光（波长在0.1纳米量级的激光）用于晶体衍射的愿望能成为现实，从而晶体衍射将不仅仅只给出振幅而同时也将给出了它的相位。相位问题的彻底解决将意味着人们从晶体衍射数据（振幅与相位）可直接通过Fourier综合获得三维结构，这将是晶体结构分析的一个革命。
电镜三维重组方法将电子衍射术与电子成像术结合在一起，巧妙地解决了相位问题。可以肯定，二维结晶的经验与规律的大量积累必将导致二维结晶方法的突破。从而可以期待在进入21世纪之后，越来越多难以获得三维晶体的生物大分子和庞大复杂的生物组件作为整体的三维结构测定将被电镜三维重组方法所突破。它与X射线晶体学方法在结构分子生物学中将是互为补充的重要的结构研究手段。
由于对核磁共振谱指认的困难和谱峰之间分辨的限制，现在有一些学者正在议论：分子量为3万～4万的生物大分子结构测定是否在理论上和实践上已是**核磁共振方法测定生物大分子三维结构的极限。然而更多的结构分子生物学家却仍然期望着21世纪将会给核磁共振方法带来新的突破，将那些难以结晶的生物大分子能在溶液结构研究上推到一个新的高度。
7.基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展。一方面，80年代迅速崛起的蛋白质工程向人们展示了利用和改造蛋白质的美好前景，可预测的深远的学术意义和重大经济效益使它成为现代高技术领域的重要方向之一。另一方面，对医学卫生、工业和农业上具有应用背景的一些生物大分子结构研究越来越吸引着人们注意和重视。以蛋白质晶体学为主要研究手段的结构分子生物学已经从50年代、60年代乃至70年代的纯基础性研究逐渐步入应用基础性以及应用性研究。许多课题研究都与企业、公司、财团有着密切联系。这一变化随着时间的推进将会变得越来越突出，这一发展趋势恐怕难以逆转。
8.激烈的竞争机制已打破了传统的学院式的研究体制和格局，并在很大程度上左右着一些重要项目的进展和方向。首先是课题的竞争，一项具有重要意义的课题同时在几家实验室内进行，他们接受不同财团的资助，自觉或不自觉地开展“竞争研究”。其次是表现在方法和技术上的竞争，谁在方法和技术上占有优势，谁就有可能赢得竞争的胜利。再就是财力上的竞争，课题的组织者和研究者都全力以赴从各种渠道争取资助，许多例子都表明：“财大气粗”是在竞争中取得优势的重要条件。然而，最终的竞争是人才的竞争，这已是各国政府部门、实验室和广大科学家的共识。因此，几乎可以这样说：人才是决定性的因素。随着竞争而同时到来的就是研究工作的保密性增强和知识产权的保护。
60年代末的胰岛素晶体结构分析使我国在国际上属于较早地涉足这一领域的国家之一，70年代初胰岛素结构测定的成就曾得到国际同行的承认和赞扬。80年代初胰岛素三维结构与功能关系研究、天花粉结构分析及随后3—磷酸甘油醛脱氢酶及胰蛋白酶抑制剂等结构的测定，近十年来，各种（致）核糖体失活蛋白、酶、毒素蛋白、胰岛素突变体、藻类捕光蛋白以及血红蛋白、神经毒素、抗真菌蛋白等一批课题不断涌现并取得了不少成果。然而，70年代几乎处于停顿状态的十年所造成的差距是巨大的，除了有一些课题在国际上占有一定位置以外，无论从课题的开创性、难度、解题的速度以及技术条件等方面都与国际先进水平有较大差距，而且差距有进一步扩大的趋势。除上述蛋白质晶体学外，核磁共振、电子衍射及各种谱学方法都有一些基础，电镜三维重组也已开始逐步建立，虽然这些手段已开展了一些课题研究并已取得一定成果，但与国际的差距很大。显然，除在晶体结构方面的部分研究项目在国际上仍可占有一席之地，从整体上我国结构分子生物学研究与国际先进水平有着明显差距。但是，它又拥有优厚的基础和急起直追的潜力。显然，面对国际上激烈的竞争机制，我国结构分子生物学的发展战略完全决定于对它的投入的力度。
梁栋材
随着学科的交叉渗透和科学技术的迅速发展，一个极其重要的分支学科——结构分子生物学正在高速发展，并已成为当前分子生物学中的一个重要前沿学科。结构分子生物学是结构生物学中最活跃的研究层次，它是在分子层次上从结构角度特别是从三维结构的角度研究和阐明当前生物学中各个前沿领域的重要学科问题。结构分子生物学是一个包括生物学、物理学、化学和计算数学等多学科交叉的，以结构（特别是三维结构）测定为手段，以结构与功能关系研究为内容，以阐明生物学功能机制为目的的前沿学科。
众所周知，生物大分子发挥其生物学功能（包括分子间的识别、结合，能量及信息的传递等相互作用）必需具备：（1）稳定的特征的三维结构，（2）其三维结构在各个水平上的运动。而各个层次的生命活动都是建立在生物大分子的结构、运动及其相互作用的基础上。50年代核酸双螺旋结构模型的确定及其后肌红蛋白与血红蛋白三维结构的阐明为分子生物学奠定了学科基础。过去、现在和将来分子生物学中的每一个前沿突破都是并必将是与其三维结构研究的突破密切相关。生物大分子的结构与功能研究是分子生物学的基础和学科前沿，它更是分子生物物理学的核心。
结构分子生物学对生物大分子（包括多亚基、多分子的复合物及复杂的复合体）三维结构及其运动的研究手段主要有：X射线单晶衍射—蛋白质晶体学，二维及**核磁共振谱，电子晶体学及电镜三维重组，中子衍射，其他包括应用傅里叶变换技术的各种谱学方法。他们都各有自身特有的优越性和不足。然而，无论从已测定生物大分子三维结构的数量上（见附表）、在精确度上和它的发展潜力上，X射线单晶衍射方法—蛋白质晶体学—至今及可见的未来仍占统治地位，都是其他手段不可相比的和不可代替的方法。二维及**核磁方法发展较快，到现在为止可以解决分子量高达2万～3万的三维结构，一些生物大分子无法获得结晶，其结构可以在溶液中测定，这样实际上它是与蛋白质晶体学互补的一种重要方法。近些年来电子晶体学特别是电镜三维重组的方法发展也很快并已取得了许多令人瞩目的成就，特别是一些难以堆积为三维晶体的诸如膜蛋白等生物大分子，以二维结晶获得了三维结构诸如高等植物捕光蛋白复合物Ⅱ（LHC-Ⅱ）结构的分辨率最近报告已达0.34纳米等。虽然所提供的结构信息量远不如上述方法，其它谱学方法，特别是质谱方法，发展也很快，在生物大分子三维结构研究中起重要作用。
结构分子生物学至今为止已有好几位诺贝尔奖金获得者，F.H.C. Crick和J.D. Watson确定核酸双螺旋结构而获1962年生理与医学奖；M.F.Perutz和J.C.Kendrew阐明了血红蛋白与肌红蛋白结构获1962年化学奖；D.M.C.Hodgkin由于对维生素B12结构的研究成就而获1964年化学奖；A.Klug由于对病毒结构研究的突出贡献而获1982年化学奖以及1988年西德的R.Huber教授及其合作者由于紫色细菌光合反应中心的三维结构研究成就而获化学奖。这些都是一些标志着结构分子生物学发展的里程碑。
80年代在国际上迅速崛起的蛋白质工程及药物设计已充分表明结构分子生物学是当前生物高技术应用研究的重要前提和保证。其中也显示了蛋白质晶体学方法—作为生物大分子三维结构测定的手段所具有不可取代的重要性。
当前结构分子生物学发展的趋势有如下几个特点：
1.生物大分子三维结构测定在高速度发展。为了使研究成果能够及时交流和广泛应用，1973年国际晶体学会建立了“蛋白质银行”（Protein Bank），专门接受储存世界各国已测定的生物大分子三维结构（原子坐标）和原始数据，以供世界各学科领域的学者索取、使用。附图是记录了从1989年至1992年每月存入蛋白质银行的生物大分子三维结构（原子坐标）的套数。显然，从图可见，存入的结构的套数与月俱增，从1989年每月不到10套到1992年底递增每月近60套，呈朝上的抛物线激增。附表列出最近两年总共存储在蛋白质银行的结构全部套数，其中也给出了用核磁共振（NMR）方法所测定的溶液结构的情况。这种激增的势头仍在上升，已有人预测，在进入21世纪之前，存入蛋白质银行的生物大分子三维结构的套数将会净增2800套以上，即平均每天将存入一套。跨入21世纪以后的速度就更难以预测了。
2.结构分子生物学的研究成果越来越受到生命科学各个相关领域的重视和引用。当前，任何一本与分子生物学相关领域的专著和教科书都在大量引用结构分子生物学的研究成果，任何一篇与分子生物学相关领域的优秀科学论文都会尽可能地运用生物大分子三维结构的研究结果，从而能更深入地阐明有关生物学机理等前沿学科问题。此外，在一些著名的国际期刊如J.Mol.Biol.和Nature等重要的核心刊物所刊登与结构分子生物学有关的论文与日增，而1991年创刊的《Macromolecular Structure》和《CurrentOpinion in Structural Biology》，1993年创刊的《Structure》以及1994年创刊的《Nature Structural Biology》等重要国际期刊几乎全部都是刊登结构分子生物学的最新研究成果，可见结构分子生物学在当前和未来生命科学中的重要位置。
3.国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近几年内突破的，如：细菌光合作用反应中心（Photosynthetic reaction centrefrom rhodopseudomonas viridis）、细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin）、C—藻蓝蛋白（C—phycocyanin）、人组织相合性抗原Ⅰ（Human classⅠhistocompatibility antigen， HLA-A2）、人生长激素与受体复合物（Human growth hormone-receptor complex）、类人猿（Simian）病毒40、人鼻病毒14（human rhinovirus 14）、人免疫缺乏性病毒蛋白酶（HIV protease）、CD4（与HIV有很强结合能力的一种细胞表面的糖蛋白）、口蹄疫病毒（Foot and mouth diseaes virus）、高等植物光合作用系统Ⅰ（System Ⅰ of photosynthesis，PSI）、高等植物捕光蛋白复合物（LHC-Ⅱ）等等许多世人所瞩目的重要结构研究都是近些年来完成的。三维结构的突破极大地推动了与其相关的学科前沿领域的研究，许多重要的作用机制因而得以阐明。
4.结构研究已由单一分子进入研究分子之间相互作用的复合物结构分子。诸如激素与其受体，酶分子与其底物，蛋白质分子与核酸、抗体与抗原（或抗抗体），药物分子与受体等等复合物的三维结构研究成就使人们更深入和直观地获得大量有关它们作用机理的重要信息和规律。除了极多重复亚基聚合的复杂的病毒结构研究之外，近年来多个不同亚基、多个不同分子所构成的复合体的复杂结构已由诸如细菌光合作用反应中心发展到对由60个不同的蛋白质分子和三条RNA链所组成的分子量为230万的核糖体（Ribosoms）结构的整体研究，其X射线晶体学研究已在85K低温下，用同步辐射收集了0.29纳米分辨率数据，一种由十一个金原子构成的原子簇化合物的重原子同晶置换已经成功地获得，并已收集了X射线衍射数据；其二维晶体的电镜三维重组研究也十分顺利，在0.30～0.47纳米分辨率的三维重组结构模型中已给出了许多极其宝贵的结构与功能的信息。核糖体整体的三维结构研究将会是结构分子生物学发展历程中的另一个里程碑。当我们踏入21世纪的时候，核糖体整体的三维结构将会在较高分辨率上得到解析和精化，从而有关蛋白质生物合成以及新生肽链折叠盘绕等许多奥秘将会逐步被揭示。可以想像，诸如肌球蛋白—肌动蛋白复合物、病毒—抗体复合物、药物—受体复合物，线粒体亚基、网状的糖蛋白、脂包裹的病毒如风疹病毒和麻疹（Measles）等乃至高等植物光合作用的组件（复合体）、包含有膜蛋白的生物膜组件（复合体）和细胞器等一些极其复杂的生物组件的三维结构都有可能在进入21世纪后得到突破。
5.蛋白质晶体学研究从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入了动态（时间分辨）的结构研究及动力学分析。由于同步辐射光源具有极高的光通量、高度单色和高度准直，它也可以调制成脉冲式光源，为瞬时结构变化研究提供了可能性。为了连续记录瞬时结构变化的X射线单晶衍射谱，人们已设计出各种类型的与脉冲式光源相匹配的、能快速脉冲式微量平移的Laue（平板型）摄谱仪。近年来，时间分辨率为1～10毫秒的X射线单晶Laue衍射方法的连续摄谱已经成功，这一时间尺度对于研究生物大分子之间的相互作用过程中二级结构之间的运动是十分合适的，它为诸如酶分子与其底物的相互作用，蛋白质分子的折叠卷曲运动等动态结构研究提供了有力的手段。随着同步辐射光源的光通量的提高和方法与摄谱仪的不断改进，当跨入21世纪的时候探测时间分辨为纳秒量级的结构动态变化将是可能的。在这一时间尺度上，人们将有可能直观地探测到诸如在小肽段内的折叠卷曲、在蛋白质分子内部环（ring）结构的反转以及有关螺旋—盘绕的转移等许多有趣的结构运动现象。另外，从理论上和实践上，探索从X射线单晶衍射的精细衍射谱中获得在晶体中有关生物大分子动力学方面的信息也将越来越为人们所关注。
6.技术和方法在高速发展。同步辐射光源已逐步作为常规光源广泛被应用，正在兴建的具有更高光通量的同步辐射光源，诸如在日本姬路兴建的Spring-8等新一代的同步辐射装置将会在进入21世纪前投入使用，并向世界各国科学家开放。计算机硬件和软件的迅猛发展和图像显示技术的进步等都一直在为结构分子生物学的发展提供着机会和条件。先进的工业技术的发展也不断地为电子晶体学和核磁共振的研究提供更先进的手段，更高分辨率的电镜和750兆赫的超导体的核磁共振仪早以进入一些实验室。显然，跨入21世纪后技术的发展将会出现飞跃，它们给结构分子生物学研究手段的发展将会有更大的推动。
相位问题对于小分子的晶体结构测定已经基本得到解决，然而它仍然一直困扰着蛋白蛋晶体学者。生物大分子晶体结构测定中相位问题的解决一直都是沿用1953年M.F.Perutz创建的重原子同晶置换方法和1957年W.Hoppe首先提出并经许多学者不断给予完善的分子置换方法，它们的成功与完善一直推动着蛋白质晶体学前进。与此同时，希望将已成功地用于小分子晶体结构分析的直接法应用于生物大分子晶体结构测定的探索一直没有停止，并不断地取得了许多可喜的进展。由于生物大分子晶体结构的特殊性，十余年来这一方面的进展仍然十分有限。然而人们可以期望，当进入21世纪的时候，直接法在蛋白质晶体学中的应用将可能有一个较大的突破。然而，蛋白质晶体学家们可能对跨入21世纪以后抱着更高的奢望，这就是将激光X光（波长在0.1纳米量级的激光）用于晶体衍射的愿望能成为现实，从而晶体衍射将不仅仅只给出振幅而同时也将给出了它的相位。相位问题的彻底解决将意味着人们从晶体衍射数据（振幅与相位）可直接通过Fourier综合获得三维结构，这将是晶体结构分析的一个革命。
电镜三维重组方法将电子衍射术与电子成像术结合在一起，巧妙地解决了相位问题。可以肯定，二维结晶的经验与规律的大量积累必将导致二维结晶方法的突破。从而可以期待在进入21世纪之后，越来越多难以获得三维晶体的生物大分子和庞大复杂的生物组件作为整体的三维结构测定将被电镜三维重组方法所突破。它与X射线晶体学方法在结构分子生物学中将是互为补充的重要的结构研究手段。
由于对核磁共振谱指认的困难和谱峰之间分辨的限制，现在有一些学者正在议论：分子量为3万～4万的生物大分子结构测定是否在理论上和实践上已是**核磁共振方法测定生物大分子三维结构的极限。然而更多的结构分子生物学家却仍然期望着21世纪将会给核磁共振方法带来新的突破，将那些难以结晶的生物大分子能在溶液结构研究上推到一个新的高度。
7.基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展。一方面，80年代迅速崛起的蛋白质工程向人们展示了利用和改造蛋白质的美好前景，可预测的深远的学术意义和重大经济效益使它成为现代高技术领域的重要方向之一。另一方面，对医学卫生、工业和农业上具有应用背景的一些生物大分子结构研究越来越吸引着人们注意和重视。以蛋白质晶体学为主要研究手段的结构分子生物学已经从50年代、60年代乃至70年代的纯基础性研究逐渐步入应用基础性以及应用性研究。许多课题研究都与企业、公司、财团有着密切联系。这一变化随着时间的推进将会变得越来越突出，这一发展趋势恐怕难以逆转。
8.激烈的竞争机制已打破了传统的学院式的研究体制和格局，并在很大程度上左右着一些重要项目的进展和方向。首先是课题的竞争，一项具有重要意义的课题同时在几家实验室内进行，他们接受不同财团的资助，自觉或不自觉地开展“竞争研究”。其次是表现在方法和技术上的竞争，谁在方法和技术上占有优势，谁就有可能赢得竞争的胜利。再就是财力上的竞争，课题的组织者和研究者都全力以赴从各种渠道争取资助，许多例子都表明：“财大气粗”是在竞争中取得优势的重要条件。然而，最终的竞争是人才的竞争，这已是各国政府部门、实验室和广大科学家的共识。因此，几乎可以这样说：人才是决定性的因素。随着竞争而同时到来的就是研究工作的保密性增强和知识产权的保护。
60年代末的胰岛素晶体结构分析使我国在国际上属于较早地涉足这一领域的国家之一，70年代初胰岛素结构测定的成就曾得到国际同行的承认和赞扬。80年代初胰岛素三维结构与功能关系研究、天花粉结构分析及随后3—磷酸甘油醛脱氢酶及胰蛋白酶抑制剂等结构的测定，近十年来，各种（致）核糖体失活蛋白、酶、毒素蛋白、胰岛素突变体、藻类捕光蛋白以及血红蛋白、神经毒素、抗真菌蛋白等一批课题不断涌现并取得了不少成果。然而，70年代几乎处于停顿状态的十年所造成的差距是巨大的，除了有一些课题在国际上占有一定位置以外，无论从课题的开创性、难度、解题的速度以及技术条件等方面都与国际先进水平有较大差距，而且差距有进一步扩大的趋势。除上述蛋白质晶体学外，核磁共振、电子衍射及各种谱学方法都有一些基础，电镜三维重组也已开始逐步建立，虽然这些手段已开展了一些课题研究并已取得一定成果，但与国际的差距很大。显然，除在晶体结构方面的部分研究项目在国际上仍可占有一席之地，从整体上我国结构分子生物学研究与国际先进水平有着明显差距。但是，它又拥有优厚的基础和急起直追的潜力。显然，面对国际上激烈的竞争机制，我国结构分子生物学的发展战略完全决定于对它的投入的力度。
