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Science研究闡明生命的化學過程

日期:2016-05-10 13:11:31

 維持生命的每一個過程,都是由蛋白質進行的。但是,了解這些復雜分子如何發揮它們的作用,取決于對其原子排列的了解——當它們相互作用時結構是如何變化的。但是直到現在,都沒有有效的方法,以這樣的細節和速度來觀察分子運動。延伸閱讀:高福、施一等解析寨卡病毒蛋白晶體結構;維生素C轉運蛋白的高分辨率晶體結構及工作機制。

 

由威斯康星大學密爾沃基分校(UWM)帶領的一個物理學家團隊,使用世界上最快的相機,開展了一項開創性的實驗,實時記錄了一個化學反應的基本過程。他們捕獲到了一個微小結晶蛋白質的圖像——當它以千萬億分之一秒的增量對光作出反應時。

 

帶領這項研究的是UWM 的物理學教授Marius Schmidt,他指出:“這使我們大大接近于了解所有生命所需的化學過程。發現蛋白質如何發揮功能的逐步過程,不僅可為疾病帶來療法,而且還闡明了生物學的重大問題。”

 

這項實驗是在SLAC國家加速器實驗室完成的,于55日在線發表于《Science》雜志上。

 

當蛋白質完成任務時,揭示蛋白質分子中的原子變化,是很重要的,因為結構決定著它們的功能。25年來,該研究小組成員、芝加哥大學教授Keith Moffat與同事開創了這種實驗方法,他指出:“光驅動著大多數生物學,這種新實驗是理解生命系統如何響應光的一個頂峰。”

 

這個科學團隊的其他成員包括:Lawrence Livermore國家實驗室、Duetsches Elektronen Synchrotron (DESY)、倫敦帝國理工學院、亞利桑那州立大學、芬蘭于韋斯屈萊大學、紐約州立大學、馬克斯普朗克結構和動力學研究所、德國漢堡大學。

 

一部分子的電影

 

一個蛋白遠小于單個細胞。例如,在常見的細菌大腸桿菌中大約有3000種不同的蛋白質。

 

使用Linac Coherent Light Source——在SLACXFEL,科學家們繪制了一個運轉中的蛋白質的原子,作為一個主要染料分子的化學鍵,其埋在蛋白質中,并使蛋白呈黃色。在蛋白質中的黃色染料的結構,第一次在一種電子激發態中被捕獲到。

 

這激發態動力學,對于所有生物體中的光感知是必要的,包括細菌和植物。光合作用的關鍵部分是由類似的刺激驅動的。

 

該團隊成員、亞利桑那州立大學Biodesign應用結構發現中心主任Petra Fromme指出:“一旦蛋白質吸收一個光子,它會改變它的形狀,從一個稱為‘trans’的初始組態,轉變成一個新的形狀,稱為‘cis’。這種轉變發生在這樣一種令人難以置信的、短暫的時間跨度上,因此,沒有人能夠看到這一過程的重要細節——直到我們發現。”

 

生命的速度

 

在過去的60年里,在三維空間中研究蛋白質的唯一方法是x射線晶體學。這牽涉到,拍攝結晶蛋白質的x射線,結晶蛋白會衍射x射線,并產生一種點模式,就像搖晃一支畫筆往墻上噴滴。

 

這個模式提供了蛋白質的指紋。數百萬個數據點可以在數學上重建,以在一個時間點上形成蛋白質分子結構的一副3 D圖像——一個靜止的快照。

 

但是,為了捕獲運轉中的蛋白質分子,科學家需要一種激光器和具有瞬間脈沖的x射線激光器。每秒產生大約25萬億副圖片,Linac Coherent Light Source對極其快速的事件,提供了一個超慢動作的視頻。

 

接下來,研究人員將繼續以飛秒的細節,在更大的時間跨度上,獲得視頻。這最終可能讓科學家利用光來干預蛋白質功能的過程。

 

Schmidt說:“我們感興趣的是化學反應的機制,旨在用光沿著固定方向控制和指導它。我們可以為此形成激光脈沖。我們會發現,在這樣的過程中分子是如何同步的。”

 


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