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Science發表突破性技術,生物分子的納米電影

日期:2014-12-08 09:11:17

 威斯康星大學Milwaukee分校的研究團隊,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。“人們能夠在這一技術的基礎上,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,”領導這項研究的Marius Schmidt教授說。

 

研究人員將PYP蛋白photoactive yellow protein)作為模式系統,PYP是一種藍光感受蛋白,在特定細菌的光合作用中起作用。PYP蛋白捕獲藍光光子之后,會經過一系列中間結構獲得光子的能量,然后再回到初始狀態。PYP光循環的絕大多數步驟已經被人們研究過了,是驗證新方法的理想模型。

 

為了獲得PYP的動態快照,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。他們在LCLS(目前最強的X射線激光器)系統中噴射這些微晶體,并用精確同步的藍光脈沖啟動它們的光循環。LCLS生成了極短極密集的X射線快照,捕捉到了PYP在光循環不同階段的形態改變,分辨率達到了前所未有的0.16納米。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。

 

這項研究再現了PYP光循環的所有已知過程,驗證了這個新技術的可靠性,同時還揭示了PYP光循環的更多細節。這一技術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,”文章的共同作者Henry Chapman教授說。“我們現在可以在原子水平上對動態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時有著更多的優勢。該技術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,使人們能更靈敏的檢測到分子發生的改變。換而言之,X射線激光器能夠揭示其他方法無法企及的分子動態。

 


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