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(lǐng)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(shù)的基礎(chǔ)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說道。

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(jié)構(gòu)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。

（圖片說明：此圖為光合細菌中一個蛋白質(zhì)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(jié)晶化蛋白質(zhì)——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(jié)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(jié)晶化蛋白質(zhì)所形成的衍射圖使科學家得以重現(xiàn)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)，并探究光線照射是如何改變其形狀。圖片來源：SLAC National Accelerator Laboratory）

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(guān)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(shù)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(shù)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(diào)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(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)�？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(shù)難以觀察到的快速過程。

（來源：科學之家）