Science研究阐明生命的化学过程

维持生命的每一个过程，都是由蛋白质进行的。但是，了解这些复杂分子如何发挥它们的作用，取决于对其原子排列的了解——当它们相互作用时结构是如何变化的。但是直到现在，都没有有效的方法，以这样的细节和速度来观察分子运动。延伸阅读：高福、施一等解析寨卡病毒蛋白晶体结构；维生素C转运蛋白的高分辨率晶体结构及工作机制。

由威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）带领的一个物理学家团队，使用世界上最快的相机，开展了一项开创性的实验，实时记录了一个化学反应的基本过程。他们捕获到了一个微小结晶蛋白质的图像——当它以千万亿分之一秒的增量对光作出反应时。

带领这项研究的是UWM 的物理学教授Marius Schmidt，他指出：“这使我们大大接近于了解所有生命所需的化学过程。发现蛋白质如何发挥功能的逐步过程，不仅可为疾病带来疗法，而且还阐明了生物学的重大问题。”

这项实验是在SLAC国家加速器实验室完成的，于5月5日在线发表于《Science》杂志上。

当蛋白质完成任务时，揭示蛋白质分子中的原子变化，是很重要的，因为结构决定着它们的功能。25年来，该研究小组成员、芝加哥大学教授Keith Moffat与同事开创了这种实验方法，他指出：“光驱动着大多数生物学，这种新实验是理解生命系统如何响应光的一个顶峰。”

这个科学团队的其他成员包括：Lawrence Livermore国家实验室、Duetsches Elektronen Synchrotron (DESY)、伦敦帝国理工学院、亚利桑那州立大学、芬兰于韦斯屈莱大学、纽约州立大学、马克斯普朗克结构和动力学研究所、德国汉堡大学。

一部分子的电影

一个蛋白远小于单个细胞。例如，在常见的细菌大肠杆菌中大约有3000种不同的蛋白质。

使用Linac Coherent Light Source——在SLAC的XFEL，科学家们绘制了一个运转中的蛋白质的原子，作为一个主要染料分子的化学键，其埋在蛋白质中，并使蛋白呈黄色。在蛋白质中的黄色染料的结构，第一次在一种电子激发态中被捕获到。

这激发态动力学，对于所有生物体中的光感知是必要的，包括细菌和植物。光合作用的关键部分是由类似的刺激驱动的。

该团队成员、亚利桑那州立大学Biodesign应用结构发现中心主任Petra Fromme指出：“一旦蛋白质吸收一个光子，它会改变它的形状，从一个称为‘trans’的初始组态，转变成一个新的形状，称为‘cis’。这种转变发生在这样一种令人难以置信的、短暂的时间跨度上，因此，没有人能够看到这一过程的重要细节——直到我们发现。”

生命的速度

在过去的60年里，在三维空间中研究蛋白质的唯一方法是x射线晶体学。这牵涉到，拍摄结晶蛋白质的x射线，结晶蛋白会衍射x射线，并产生一种点模式，就像摇晃一支画笔往墙上喷滴。

这个模式提供了蛋白质的指纹。数百万个数据点可以在数学上重建，以在一个时间点上形成蛋白质分子结构的一副3 D图像——一个静止的快照。

但是，为了捕获运转中的蛋白质分子，科学家需要一种激光器和具有瞬间脉冲的x射线激光器。每秒产生大约25万亿副图片，Linac Coherent Light Source对极其快速的事件，提供了一个超慢动作的视频。

接下来，研究人员将继续以飞秒的细节，在更大的时间跨度上，获得视频。这最终可能让科学家利用光来干预蛋白质功能的过程。

Schmidt说：“我们感兴趣的是化学反应的机制，旨在用光沿着固定方向控制和指导它。我们可以为此形成激光脉冲。我们会发现，在这样的过程中分子是如何同步的。”