近日，威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的生物物理學(xué)家、能源部下屬SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室部門負(fù)責(zé)人Marius Schmidt率領(lǐng)的國際研究團(tuán)隊(duì)，用X射線激光器以慢動(dòng)作的形式展示了一個(gè)光敏性生物分子的快速動(dòng)態(tài)。“人們能夠在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上，以原子水平的空間分辨率和超快的時(shí)間分辨率制作納米世界的電影，” Schmidt道。

　

(圖片說明：此圖為光合細(xì)菌中一個(gè)蛋白質(zhì)在光線作用下改變形狀的過程，該實(shí)驗(yàn)是在SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室完成的。圖右為結(jié)晶化蛋白質(zhì)——光敏黃蛋白(PYP)，光敏黃蛋白沿著SLAC的直線性連續(xù)加速器光源(LCLS)X射線激光束(左下角火焰般光束)噴射。結(jié)晶化蛋白經(jīng)來自圖左的藍(lán)光照射后已發(fā)生形變。X射線激光擊中結(jié)晶化蛋白質(zhì)所形成的衍射圖使科學(xué)家得以重現(xiàn)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)，并探究光線照射是如何改變其形狀。圖片來源：SLAC National Accelerator Laboratory)

　　研究人員將PYP光敏黃蛋白(photoactive yellow protein)作為模式系統(tǒng)。PYP是一種藍(lán)光感受蛋白，在某些細(xì)菌中是光合作用的一部分。其作用相當(dāng)于細(xì)菌的眼睛，用來感受藍(lán)光。PYP蛋白捕獲藍(lán)光光子之后，會(huì)經(jīng)過一系列中間結(jié)構(gòu)獲得光子的能量，然后再回到初始狀態(tài)。PYP光循環(huán)的絕大多數(shù)步驟已經(jīng)被人們研究過了，因而它是驗(yàn)證新方法的理想模型。

　　為了獲得PYP的動(dòng)態(tài)快照，研究人員制造了微小的PYP晶體，這些晶體的直徑大多小于0.01毫米。他們將這些微晶體噴射到SLAC的直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source，LCLS是目前最強(qiáng)的X射線激光器)系統(tǒng)中，利用同步的藍(lán)色激光脈沖啟動(dòng)它們的光循環(huán)過程。由于LCLS的X射線閃光極短且極密集，研究人員通過X射線衍射模式的快照，捕捉到了PYP在光循環(huán)不同時(shí)段的形狀變化。

　　這些快照的分辨率達(dá)到了0.16納米，是迄今為止用X射線激光得到的最清晰的生物分子圖像。1納米等于百萬分之一毫米，而最小的原子——氫原子的直徑也就約0.1納米。

　　并用精確同步的藍(lán)光脈沖啟動(dòng)它們的光循環(huán)。LCLS生成了極短極密集的X射線快照，捕捉到了PYP在光循環(huán)不同階段的形態(tài)改變，分辨率達(dá)到了前所未有的0.16納米。

　　隨后研究人員將自己獲得的快照組成視頻，展示了慢動(dòng)作的PYP光循環(huán)。相關(guān)研究成果發(fā)表在12月5日的《科學(xué)》上(Science, 2014, 346, 6214, 1242-1246, DOI: 10.1126/science.1259357)。

　　這項(xiàng)研究再現(xiàn)了PYP光循環(huán)的所有已知過程，驗(yàn)證了這個(gè)新技術(shù)的可靠性，同時(shí)還揭示了PYP光循環(huán)的更多細(xì)節(jié)。這一技術(shù)的時(shí)間分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活動(dòng)，這是以前無法想像的。

　　“這是一個(gè)真正的突破，”該論文作者之一、德國電子同步加速器研究所(DESY)自由電子激光科學(xué)中心的教授Henry Chapman強(qiáng)調(diào)說，“我們現(xiàn)在可以在原子水平上對(duì)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行時(shí)間分辨研究。”

　　與其他方法相比，X射線激光器在研究超快分子動(dòng)態(tài)時(shí)有著更多的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能生成世界上最明亮的X射線，提供飛秒級(jí)別的時(shí)間分辨率。X射線激光器成像時(shí)使用新鮮樣本，樣本中不會(huì)積累輻射傷害，而且特別適合研究非常小的晶體。實(shí)際上，一些很難結(jié)晶的生物分子只能用X射線激光器進(jìn)行研究。另外，晶體小也有助于分子的同步，使人們能更靈敏地檢測(cè)到分子發(fā)生的改變。

　　總之，X射線激光器能夠揭示其它方法無法企及的分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家下一步計(jì)劃將使用超速快照闡明PYP光循環(huán)中那些以往技術(shù)難以觀察到的快速過程。