为了研究生物学的快速性，即每种生命功能背后的蛋白质化学，所以科学家们需要看到分子以难以想象的快速时间增量（万亿分之一秒或更短的时间增量）发生变化和相互作用。具有这种速度的成像设备去年终于在欧洲X射线自由电子激光(EuXFEL)上进行了测试。现在，来自威斯康星大学密尔沃基分校的一组物理学家，已经完成了该设施的第一部分子电影，即蛋白质超快运动的“绘图”。有了这种能力，科学家就可以观察蛋白质是如何正确地发挥作用的，或者它们的形状变化是如何出错，从而导致疾病的。
威斯康星大学(UWM)的物理学教授，设计这项实验的马里乌斯·施密特(Marius Schmidt)说：创建蛋白质物理功能图为回答更大的生物学问题打开了大门，EuXFEL现在可以被视为帮助拯救生命的工具。其发现标志着蛋白质研究的新时代，使与疾病有关的酶能够以前所未有的清晰度实时观察有意义的持续时间，其研究成果发表在《自然方法》期刊上。EuXFEL以兆赫的速率以极短脉冲产生强烈的X射线——每秒一百万脉冲。射线瞄准的是含有蛋白质的晶体，这种方法称为X射线结晶学。
当晶体被X射线脉冲击中时，它会衍射光束，以某种模式散射，揭示原子的位置并产生“快照”。快速发射的X射线脉冲，从光束落在晶体上的几十万个角度产生每个图案的2-D快照。这些被数学重建成移动的三维图像，显示原子排列随时间的变化。去年开放的欧洲XFEL将这种原子映射提升到了一个新水平。极强的脉冲群包含以千亿分之一秒X射线脉冲，以100毫秒间隔出现的“脉冲群”。Schmidt实验开始于一道蓝色可见光的闪光，它在蛋白质晶体内部引发了化学反应，随后立即产生了产生“快照”的兆赫脉冲中的强烈X射线。
这是Schmidt 于2014年首次在美国能源部位于加州SLAC国家加速器实验室进行的一项实验，在那里能够在XFEL上首次记录他们蛋白质样本中的原子变化。随后，在2016年能够在蛋白质改变形状所需时间范围内绘制原子的重排图，即一万亿分之一秒到三万亿分之一秒。之前对光反应蛋白进行的时间分辨结晶学，已经使用其他X射线源完成，这些X射线源能够成像超过100皮秒的时间尺度，留下3到100皮秒之间的未知时间间隔，科学家能够使用EuXFEL来填充。激光的非凡亮度和兆赫X射线脉冲率使研究人员能够更快、更高分辨率和更长的时间范围收集数据。
Schmidt将EuXFEL描述为“一台最高级的机器”，世界上最大的XFEL，它有3公里长，跨越德国联邦州汉堡和石勒苏益格-荷尔斯泰因之间的距离，超导技术被用来加速产生X射线的高能电子。Schmidt是一位生物物理学家，迄今已参与了30多个XFEL成像项目，Schmidt提供了XFEL增强结晶学的医疗潜力体验：使用这种方法，Schmidt见证了多种蛋白质如何协同工作，负责抗生素耐药性的酶如何使药物失效，以及蛋白质如何改变其形状以吸收光并使视力恢复。博士生Suraj Pandey从祖国尼泊尔来到UWM，也是这篇研究论文的第一作者。
Pandey现在拥有世界上很少有人能声称的技术经验，至少现在是这样，即便还不确定实验会发生什么。Pandey的角色是分析数据并计算结构变化图，在XFELs发出的数百万个X射线脉冲中，大多数根本不会击中目标。事实上，只有1%到2%的衍射离开蛋白质晶体，而其余脉冲产生必须从数据中去除的“噪声”。研究团队也有其他担忧：Pandey花了几个月时间培养出生产实验晶体所需的蛋白质，但在运往德国的过程中，5克冷冻蛋白质被海关扣留了几天，在此期间一些蛋白质融化了。
在成像的第一天后处理了数据，可以在第一次生成的图中识别出强信号。这是一个突破，但信号与之前实验预测的变化不一致，起初认为实验失败了。相反，Pandey和EuXFEL操作员认识到：引发反应的光脉冲必须与兆赫X射线脉冲完全同步。否则，蛋白质反应在未知的时间分配中展开。而且必须确保样品只被激发一次，这对于兆赫的频率来说相当棘手。实验的最终成功给了Pandey等研究人员极大的满足感。这是一项独一无二的技术，Pandey等人员率先使用欧洲XFEL来观看蛋白质功能的“电影”！
博科园｜研究/来自：威斯康星大学密尔沃基分校
参考期刊《自然方法》
DOI: 10.1038/s41592-019-0628-z
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