Science：X射线激光器捕捉到蛋白质分子的超快动态
更新日期：2015-01-04
（图片说明：此图为光合细菌中一个蛋白质在光线作用下改变形状的过程，该实验是在SLAC国家加速器实验室完成的。图右为结晶化蛋白质——光敏黄蛋白（PYP），光敏黄蛋白沿着SLAC的直线性连续加速器光源（LCLS）X射线激光束（左下角火焰般光束）喷射。结晶化蛋白经来自图左的蓝光照射后已发生形变。X射线激光击中结晶化蛋白质所形成的衍射图使科学家得以重现蛋白质的3D结构，并探究光线照射是如何改变其形状。图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）
近日，威斯康星大学密尔沃基分校的生物物理学家、能源部下属SLAC国家加速器实验室部门负责人Marius Schmidt率领的国际研究团队，用X射线激光器以慢动作的形式展示了一个光敏性生物分子的快速动态。“人们能够在这一技术的基础上，以原子水平的空间分辨率和超快的时间分辨率制作纳米世界的电影，” Schmidt说道。
研究人员将PYP光敏黄蛋白(photoactive yellow protein)作为模式系统。PYP是一种蓝光感受蛋白，在某些细菌中是光合作用的一部分。其作用相当于细菌的眼睛，用来感受蓝光。PYP蛋白捕获蓝光光子之后，会经过一系列中间结构获得光子的能量，然后再回到初始状态。PYP光循环的绝大多数步骤已经被人们研究过了，因而它是验证新方法的理想模型。
为了获得PYP的动态快照，研究人员制造了微小的PYP晶体，这些晶体的直径大多小于0.01毫米。他们将这些微晶体喷射到SLAC的直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS是目前最强的X射线激光器）系统中，利用同步的蓝色激光脉冲启动它们的光循环过程。由于LCLS的X射线闪光极短且极密集，研究人员通过X射线衍射模式的快照，捕捉到了PYP在光循环不同时段的形状变化。
这些快照的分辨率达到了0.16纳米，是迄今为止用X射线激光得到的最清晰的生物分子图像。1纳米等于百万分之一毫米，而最小的原子——氢原子的直径也就约0.1纳米。
并用精确同步的蓝光脉冲启动它们的光循环。LCLS生成了极短极密集的X射线快照，捕捉到了PYP在光循环不同阶段的形态改变，分辨率达到了前所未有的0.16纳米。
随后研究人员将自己获得的快照组成视频，展示了慢动作的PYP光循环。相关研究成果发表在12月5日的《科学》上（Science, 2014, 346, 6214, 1242-1246, DOI: 10.1126/science.1259357）。
这项研究再现了PYP光循环的所有已知过程，验证了这个新技术的可靠性，同时还揭示了PYP光循环的更多细节。这一技术的时间分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活动，这是以前无法想像的。
“这是一个真正的突破，”该论文作者之一、德国电子同步加速器研究所（DESY）自由电子激光科学中心的教授Henry Chapman强调说，“我们现在可以在原子水平上对动态过程进行时间分辨研究。”
与其他方法相比，X射线激光器在研究超快分子动态时有着更多的优势。该技术能生成世界上最明亮的X射线，提供飞秒级别的时间分辨率。X射线激光器成像时使用新鲜样本，样本中不会积累辐射伤害，而且特别适合研究非常小的晶体。实际上，一些很难结晶的生物分子只能用X射线激光器进行研究。另外，晶体小也有助于分子的同步，使人们能更灵敏地检测到分子发生的改变。
总之，X射线激光器能够揭示其它方法无法企及的分子动态结构。科学家下一步计划将使用超速快照阐明PYP光循环中那些以往技术难以观察到的快速过程。
（综合生物通、科学之家 报道）
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