維持生命的每一個(gè)過(guò)程，都是由蛋白質(zhì)進(jìn)行的。但是，了解這些復(fù)雜分子如何發(fā)揮它們的作用，取決于對(duì)其原子排列的了解——當(dāng)它們相互作用時(shí)結(jié)構(gòu)是如何變化的。但是直到現(xiàn)在，都沒(méi)有有效的方法，以這樣的細(xì)節(jié)和速度來(lái)觀察分子運(yùn)動(dòng)。延伸閱讀：高福、施一等解析寨卡病毒蛋白晶體結(jié)構(gòu)；維生素C轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制。

由威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）帶領(lǐng)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，使用世界上最快的相機(jī)，開(kāi)展了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的基本過(guò)程。他們捕獲到了一個(gè)微小結(jié)晶蛋白質(zhì)的圖像——當(dāng)它以千萬(wàn)億分之一秒的增量對(duì)光作出反應(yīng)時(shí)。

帶領(lǐng)這項(xiàng)研究的是UWM 的物理學(xué)教授Marius Schmidt，他指出：“這使我們大大接近于了解所有生命所需的化學(xué)過(guò)程。發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)如何發(fā)揮功能的逐步過(guò)程，不僅可為疾病帶來(lái)療法，而且還闡明了生物學(xué)的重大問(wèn)題。”

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室完成的，于5月5日在線發(fā)表于《Science》雜志上。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)完成任務(wù)時(shí)，揭示蛋白質(zhì)分子中的原子變化，是很重要的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定著它們的功能。25年來(lái)，該研究小組成員、芝加哥大學(xué)教授Keith Moffat與同事開(kāi)創(chuàng)了這種實(shí)驗(yàn)方法，他指出：“光驅(qū)動(dòng)著大多數(shù)生物學(xué)，這種新實(shí)驗(yàn)是理解生命系統(tǒng)如何響應(yīng)光的一個(gè)頂峰。”

這個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)的其他成員包括：Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Duetsches Elektronen Synchrotron (DESY)、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院、亞利桑那州立大學(xué)、芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)、紐約州立大學(xué)、馬克斯普朗克結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究所、德國(guó)漢堡大學(xué)。

一部分子的電影

一個(gè)蛋白遠(yuǎn)小于單個(gè)細(xì)胞。例如，在常見(jiàn)的細(xì)菌大腸桿菌中大約有3000種不同的蛋白質(zhì)。

使用Linac Coherent Light Source——在SLAC的XFEL，科學(xué)家們繪制了一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的蛋白質(zhì)的原子，作為一個(gè)主要染料分子的化學(xué)鍵，其埋在蛋白質(zhì)中，并使蛋白呈黃色。在蛋白質(zhì)中的黃色染料的結(jié)構(gòu)，第一次在一種電子激發(fā)態(tài)中被捕獲到。

這激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)，對(duì)于所有生物體中的光感知是必要的，包括細(xì)菌和植物。光合作用的關(guān)鍵部分是由類(lèi)似的刺激驅(qū)動(dòng)的。

該團(tuán)隊(duì)成員、亞利桑那州立大學(xué)Biodesign應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中心主任Petra Fromme指出：“一旦蛋白質(zhì)吸收一個(gè)光子，它會(huì)改變它的形狀，從一個(gè)稱為‘trans’的初始組態(tài)，轉(zhuǎn)變成一個(gè)新的形狀，稱為‘cis’。這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在這樣一種令人難以置信的、短暫的時(shí)間跨度上，因此，沒(méi)有人能夠看到這一過(guò)程的重要細(xì)節(jié)——直到我們發(fā)現(xiàn)。”

生命的速度

在過(guò)去的60年里，在三維空間中研究蛋白質(zhì)的唯一方法是x射線晶體學(xué)。這牽涉到，拍攝結(jié)晶蛋白質(zhì)的x射線，結(jié)晶蛋白會(huì)衍射x射線，并產(chǎn)生一種點(diǎn)模式，就像搖晃一支畫(huà)筆往墻上噴滴。

這個(gè)模式提供了蛋白質(zhì)的指紋。數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以在數(shù)學(xué)上重建，以在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上形成蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一副3 D圖像——一個(gè)靜止的快照。

但是，為了捕獲運(yùn)轉(zhuǎn)中的蛋白質(zhì)分子，科學(xué)家需要一種激光器和具有瞬間脈沖的x射線激光器。每秒產(chǎn)生大約25萬(wàn)億副圖片，Linac Coherent Light Source對(duì)極其快速的事件，提供了一個(gè)超慢動(dòng)作的視頻。

接下來(lái)，研究人員將繼續(xù)以飛秒的細(xì)節(jié)，在更大的時(shí)間跨度上，獲得視頻。這最終可能讓科學(xué)家利用光來(lái)干預(yù)蛋白質(zhì)功能的過(guò)程。

Schmidt說(shuō)：“我們感興趣的是化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制，旨在用光沿著固定方向控制和指導(dǎo)它。我們可以為此形成激光脈沖。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這樣的過(guò)程中分子是如何同步的。”