為了研究生物學的快速性，即每種生命功能背後的蛋白質化學，所以科學家們需要看到分子以難以想像的快速時間增量（萬億分之一秒或更短的時間增量）發生變化和相互作用。具有這種速度的成像設備去年終於在歐洲X射線自由電子雷射(EuXFEL)上進行了測試。現在，來自威斯康星大學密爾沃基分校的一組物理學家，已經完成了該設施的第一部分子電影，即蛋白質超快運動的「繪圖」。有了這種能力，科學家就可以觀察蛋白質是如何正確地發揮作用的，或者它們的形狀變化是如何出錯，從而導致疾病的。
威斯康星大學(UWM)的物理學教授，設計這項實驗的馬里烏斯·施密特(Marius Schmidt)說：創建蛋白質物理功能圖為回答更大的生物學問題打開了大門，EuXFEL現在可以被視為幫助拯救生命的工具。其發現標誌著蛋白質研究的新時代，使與疾病有關的酶能夠以前所未有的清晰度實時觀察有意義的持續時間，其研究成果發表在《自然方法》期刊上。EuXFEL以兆赫的速率以極短脈衝產生強烈的X射線——每秒一百萬脈衝。射線瞄準的是含有蛋白質的晶體，這種方法稱為X射線結晶學。
當晶體被X射線脈衝擊中時，它會衍射光束，以某種模式散射，揭示原子的位置並產生「快照」。快速發射的X射線脈衝，從光束落在晶體上的幾十萬個角度產生每個圖案的2-D快照。這些被數學重建成移動的三維圖像，顯示原子排列隨時間的變化。去年開放的歐洲XFEL將這種原子映射提升到了一個新水平。極強的脈衝群包含以千億分之一秒X射線脈衝，以100毫秒間隔出現的「脈衝群」。Schmidt實驗開始於一道藍色可見光的閃光，它在蛋白質晶體內部引發了化學反應，隨後立即產生了產生「快照」的兆赫脈衝中的強烈X射線。
這是Schmidt 於2014年首次在美國能源部位於加州SLAC國家加速器實驗室進行的一項實驗，在那裡能夠在XFEL上首次記錄他們蛋白質樣本中的原子變化。隨後，在2016年能夠在蛋白質改變形狀所需時間範圍內繪製原子的重排圖，即一萬億分之一秒到三萬億分之一秒。之前對光反應蛋白進行的時間分辨結晶學，已經使用其他X射線源完成，這些X射線源能夠成像超過100皮秒的時間尺度，留下3到100皮秒之間的未知時間間隔，科學家能夠使用EuXFEL來填充。雷射的非凡亮度和兆赫X射線脈衝率使研究人員能夠更快、更高解析度和更長的時間範圍收集數據。
Schmidt將EuXFEL描述為「一台最高級的機器」，世界上最大的XFEL，它有3公里長，跨越德國聯邦州漢堡和什勒斯維希-霍爾斯坦之間的距離，超導技術被用來加速產生X射線的高能電子。Schmidt是一位生物物理學家，迄今已參與了30多個XFEL成像項目，Schmidt提供了XFEL增強結晶學的醫療潛力體驗：使用這種方法，Schmidt見證了多種蛋白質如何協同工作，負責抗生素耐藥性的酶如何使藥物失效，以及蛋白質如何改變其形狀以吸收光並使視力恢復。博士生Suraj Pandey從祖國尼泊爾來到UWM，也是這篇研究論文的第一作者。
Pandey現在擁有世界上很少有人能聲稱的技術經驗，至少現在是這樣，即便還不確定實驗會發生什麼。Pandey的角色是分析數據並計算結構變化圖，在XFELs發出的數百萬個X射線脈衝中，大多數根本不會擊中目標。事實上，只有1%到2%的衍射離開蛋白質晶體，而其餘脈衝產生必須從數據中去除的「噪聲」。研究團隊也有其他擔憂：Pandey花了幾個月時間培養出生產實驗晶體所需的蛋白質，但在運往德國的過程中，5克冷凍蛋白質被海關扣留了幾天，在此期間一些蛋白質融化了。
在成像的第一天後處理了數據，可以在第一次生成的圖中識別出強信號。這是一個突破，但信號與之前實驗預測的變化不一致，起初認為實驗失敗了。相反，Pandey和EuXFEL操作員認識到：引發反應的光脈衝必須與兆赫X射線脈衝完全同步。否則，蛋白質反應在未知的時間分配中展開。而且必須確保樣品只被激發一次，這對於兆赫的頻率來說相當棘手。實驗的最終成功給了Pandey等研究人員極大的滿足感。這是一項獨一無二的技術，Pandey等人員率先使用歐洲XFEL來觀看蛋白質功能的「電影」！
文章來源: https://twgreatdaily.com/HNPXhG4BMH2_cNUgXxox.html博科園｜研究/來自：威斯康星大學密爾沃基分校
參考期刊《自然方法》
DOI: 10.1038/s41592-019-0628-z
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