近日，威斯康星大學密爾沃基分校的生物物理學家、能源部下屬SLAC國家加速器實驗室部門負責人Marius Schmidt率領的國際研究團隊，用X射線激光器以慢動作的形式展示了一個光敏性生物分子的快速動態(tài)。“人們能夠在這一技術的基礎上，以原子水平的空間分辨率和超快的時間分辨率制作納米世界的電影，” Schmidt道。

　

(圖片說明：此圖為光合細菌中一個蛋白質在光線作用下改變形狀的過程，該實驗是在SLAC國家加速器實驗室完成的。圖右為結晶化蛋白質——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。結晶化蛋白經(jīng)來自圖左的藍光照射后已發(fā)生形變。X射線激光擊中結晶化蛋白質所形成的衍射圖使科學家得以重現(xiàn)蛋白質的3D結構，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是一種藍光感受蛋白，在某些細菌中是光合作用的一部分。其作用相當于細菌的眼睛，用來感受藍光。PYP蛋白捕獲藍光光子之后，會經(jīng)過一系列中間結構獲得光子的能量，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，因而它是驗證新方法的理想模型。

　　為了獲得PYP的動態(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是目前最強的X射線激光器)系統(tǒng)中，利用同步的藍色激光脈沖啟動它們的光循環(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)不同時段的形狀變化。

　　這些快照的分辨率達到了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。

　　并用精確同步的藍光脈沖啟動它們的光循環(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，展示了慢動作的PYP光循環(huán)。相關研究成果發(fā)表在12月5日的《科學》上(Science, 2014, 346, 6214, 1242-1246, DOI: 10.1126/science.1259357)。

　　這項研究再現(xiàn)了PYP光循環(huán)的所有已知過程，驗證了這個新技術的可靠性，同時還揭示了PYP光循環(huán)的更多細節(jié)。這一技術的時間分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活動，這是以前無法想像的。

　　“這是一個真正的突破，”該論文作者之一、德國電子同步加速器研究所(DESY)自由電子激光科學中心的教授Henry Chapman強調說，“我們現(xiàn)在可以在原子水平上對動態(tài)過程進行時間分辨研究。”

　　與其他方法相比，X射線激光器在研究超快分子動態(tài)時有著更多的優(yōu)勢。該技術能生成世界上最明亮的X射線，提供飛秒級別的時間分辨率。X射線激光器成像時使用新鮮樣本，樣本中不會積累輻射傷害，而且特別適合研究非常小的晶體。實際上，一些很難結晶的生物分子只能用X射線激光器進行研究。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態(tài)結構?？茖W家下一步計劃將使用超速快照闡明PYP光循環(huán)中那些以往技術難以觀察到的快速過程。