Science研究闡明生命的化學(xué)過程
日期：2016-05-10 13:11:31
維持生命的每一個過程，都是由蛋白質(zhì)進行的。但是，了解這些復(fù)雜分子如何發(fā)揮它們的作用，取決于對其原子排列的了解——當它們相互作用時結(jié)構(gòu)是如何變化的。但是直到現(xiàn)在，都沒有有效的方法，以這樣的細節(jié)和速度來觀察分子運動。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)運蛋白的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及工作機制。
由威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）帶領(lǐng)的一個物理學(xué)家團隊，使用世界上最快的相機，開展了一項開創(chuàng)性的實驗，實時記錄了一個化學(xué)反應(yīng)的基本過程。他們捕獲到了一個微小結(jié)晶蛋白質(zhì)的圖像——當它以千萬億分之一秒的增量對光作出反應(yīng)時。
帶領(lǐng)這項研究的是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)過程。發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)如何發(fā)揮功能的逐步過程，不僅可為疾病帶來療法，而且還闡明了生物學(xué)的重大問題。”
這項實驗是在SLAC國家加速器實驗室完成的，于5月5日在線發(fā)表于《Science》雜志上。
當?shù)鞍踪|(zhì)完成任務(wù)時，揭示蛋白質(zhì)分子中的原子變化，是很重要的，因為結(jié)構(gòu)決定著它們的功能。25年來，該研究小組成員、芝加哥大學(xué)教授Keith Moffat與同事開創(chuàng)了這種實驗方法，他指出：“光驅(qū)動著大多數(shù)生物學(xué)，這種新實驗是理解生命系統(tǒng)如何響應(yīng)光的一個頂峰。”
這個科學(xué)團隊的其他成員包括：Lawrence Livermore國家實驗室、Duetsches Elektronen Synchrotron (DESY)、倫敦帝國理工學(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)和動力學(xué)研究所、德國漢堡大學(xué)。
一部分子的電影
一個蛋白遠小于單個細胞。例如，在常見的細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)家們繪制了一個運轉(zhuǎn)中的蛋白質(zhì)的原子，作為一個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)動力學(xué)，對于所有生物體中的光感知是必要的，包括細菌和植物。光合作用的關(guān)鍵部分是由類似的刺激驅(qū)動的。
該團隊成員、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)吸收一個光子，它會改變它的形狀，從一個稱為‘trans’的初始組態(tài)，轉(zhuǎn)變成一個新的形狀，稱為‘cis’。這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在這樣一種令人難以置信的、短暫的時間跨度上，因此，沒有人能夠看到這一過程的重要細節(jié)——直到我們發(fā)現(xiàn)。”
生命的速度
在過去的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)晶蛋白會衍射x射線，并產(chǎn)生一種點模式，就像搖晃一支畫筆往墻上噴滴。
這個模式提供了蛋白質(zhì)的指紋。數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點可以在數(shù)學(xué)上重建，以在一個時間點上形成蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一副3 D圖像——一個靜止的快照。
但是，為了捕獲運轉(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25萬億副圖片，Linac Coherent Light Source對極其快速的事件，提供了一個超慢動作的視頻。
接下來，研究人員將繼續(xù)以飛秒的細節(jié)，在更大的時間跨度上，獲得視頻。這最終可能讓科學(xué)家利用光來干預(yù)蛋白質(zhì)功能的過程。
Schmidt說：“我們感興趣的是化學(xué)反應(yīng)的機制，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。我們會發(fā)現(xiàn)，在這樣的過程中分子是如何同步的。”
