世界最快電影捕捉分子運動

在加利福尼亞州帕洛阿爾託附近的山麓深處，科學家們匆匆穿過一個地下實驗室，為一系列爆炸做最後的準備。他們的計劃是：炸燬微小的蛋白質晶體，這些晶體可以揭示自然界最保守的秘密之一——植物光合作用如何將光轉化為化學能。潛在的回報：邁向無限清潔能源的一步。

那是2009年12月，在SLAC國家加速器實驗室，一個睡眠不足的研究人員和學生團隊連續幾天不停地工作，以便在世界上最強大的X射線雷射器——直線加速器相干光源（LCLS）上設定這個實驗，LCLS可以將電子加速到接近光速。一組人狂熱地調整注射器，這些注射器會將蛋白質晶體射入X射線束。另一組人則將注射器裝滿了新鮮的蛋白質複合物——光系統I的晶體，這是光合作用的關鍵。

在兩英里長的加速器隧道的盡頭，晶體開始進入強烈的雷射束。但在每個晶體爆炸之前，都使用一種新開發的科學技術拍攝了它的快照。今天，這種方法有望重塑我們對微觀生物學的理解，因為我們現在可以將一系列快速的影像——以飛秒或百萬分之一秒的百萬分之一秒拍攝——組合成電影。

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

物理學家理查德·費曼曾說過：“生物所做的一切都可以用原子的擺動和晃動來理解。” 但我們以前從未能夠以這種速度直接看到生物體內原子和分子的晃動。我們的方法稱為序列飛秒晶體學（SFX），使我們能夠觀察高速分子舞蹈，這些舞蹈決定了藥物如何影響病變細胞以及化學反應如何將能量轉化為不同的形式。

世界各地的研究團隊已經使用SFX揭示了一種實驗性藥物如何調節血壓的精細細節——為開發更好的高血壓藥物鋪平了道路。SFX還顯示了破壞昏睡病（一種由寄生蟲引起的致命疾病）中紅細胞的酶的結構。並且它首次展示了光合作用過程中將水分解成氫和氧的最初步驟。

回到2009年的那個地下實驗室，隨著X射線脈衝開始摧毀我們精心形成的晶體，風險很高。許多科學家曾說過SFX永遠不會奏效，並拒絕了我們的資助申請。但隨後，散射X射線的美麗影像開始出現在計算機螢幕上。我們仍然記得，當我們看到將成為一種新的X射線科學領域誕生的證據時，房間裡爆發出的歡呼聲。

X射線視覺

在SFX之前，科學家們在檢測某些化學結構的變化方面取得了驚人的進展，但他們實際上無法觀察到最精細和複雜的生物結構的運動。例如，在20世紀80年代，已故化學家艾哈邁德·H·澤維爾發明了一種使用超快可見雷射脈衝觀察化學反應中原子運動的方法。然而，光的波長太長，無法區分蛋白質結構的最細微細節。最近，顯微鏡技術的巨大進步產生了接近原子解析度的蛋白質和病毒影像。但它們不夠快，無法捕捉到光合作用等快速反應。

我們決定使用X射線，它具有必要的速度和解析度來記錄運動中的生物反應。我們工作的關鍵是開發一種技術，使X射線能夠在破壞分子之前的瞬間形成分子的影像。傳統上，從事這項工作的科學家會費力地生長大型蛋白質和其他分子的晶體，以繪製其中原子的位置。然後，他們將X射線從晶體上反射出去，並記錄X射線散射或衍射的圖案。在晶體中，分子以有序排列的方式固定到位，因此X射線以可預測的方式散射，使科學家能夠解釋原子的位置和身份。這種方法稱為X射線晶體學，我們的序列飛秒晶體學使用相同的原理來觀察原子結構，但速度更快。

然而，X射線最終會破壞我們試圖觀察的分子。人們普遍認為，X射線雷射器將高能X射線集中成強大的光束，只會使情況變得更糟。雷射器的強光本身就可以在鋼材上打孔。人們會認為，脆弱的生物分子不會有機會。我們需要跑贏X射線的破壞速度，並在飛秒內捕捉到影像。從透視的角度來看，一飛秒和一個完整秒之間的差異相當於一秒和3200萬年之間的差異。

SFX技術的關鍵在於分子被X射線雷射脈衝擊中和電子被X射線能量從其原子上剝離之間那段難以察覺的極短時間。被剝奪了電子後，帶正電的殘餘物相互排斥，導致分子膨脹並最終爆炸。

以下是它的工作原理：首先，我們促使分子相互作用形成微小的晶體。然後，我們以極短的脈衝向晶體發射強大的X射線束，脈衝的持續時間正好足以讓一些X射線在光束能量將分子撕裂之前從晶體上散射出去。最後，探測器捕獲反射的X射線，其圖案揭示了蛋白質中原子的型別和位置。透過捕捉一系列蛋白質晶體在不同角度翻滾透過X射線束時的影像，我們可以重建三維結構。最後，我們可以收集反應中不同時間點的影像，並將這些圖片按順序放在一起，就像電影膠片中的影像一樣。

結晶檢視

製作這些分子電影的第一步是在2000年實現的，當時生物物理學家亞諾什·哈吉杜和理查德·諾伊茨（當時都在瑞典的烏普薩拉大學）計算出，分子在被X射線擊中後大約需要10飛秒才能開始爆炸。因此，科學家需要比這更快地拍攝快照。2006年，現在在德國電子同步加速器（DESY）的亨利·查普曼和他的同事們使用“先衍射後破壞”的方法，成功地捕捉到了蝕刻在氮化矽膜上的兩個微小火柴人和太陽的低解析度影像。

但這是否適用於脆弱的生物分子？當我們提出嘗試時，科學界的大部分人持懷疑態度。我們的前10份資助申請都被拒絕了。懷疑者說，X射線雷射脈衝不夠短，或者蛋白質晶體太小而無法給出任何可檢測到的訊號，或者我們永遠無法弄清楚晶體在被X射線脈衝擊中時的方向，而這是確定其結構所需的資訊。

但我們認為，如果其他種類的分子可以成像，正如查普曼所證明的那樣，那麼生物分子也可以成像。我們中的一位（弗羅姆）和她的團隊試圖使用最難以想象的測試之一——光系統I來證明SFX。它由36種蛋白質和300多種捕獲光線的綠色和橙色色素組成，是迄今為止使用X射線分析的最複雜的蛋白質結構之一。

弗羅姆非常瞭解光系統I，她多年來一直致力於將其結晶並使用其他方法確定其結構。我們還認為，這種生物分子複合物的巨大尺寸實際上可能是一個優勢，因為即使只有少量的衍射圖案，我們也可以獲得一個低解析度的影像，該影像可以被識別為光系統I。這就是我們在2009年的那個地下實驗室中所能做到的。

小即是美

為了獲得我們的快照，我們首先需要光系統I的晶體。在典型的晶體學中，科學家們會生長大型晶體，長期以來，大型晶體對於產生足夠的X射線散射以重建蛋白質結構是必要的。但是，生長某些蛋白質的大型、有序良好的晶體可能需要多年的實驗。事實證明，有幾種蛋白質幾乎不可能生長出來，而光系統I就是其中之一。

相反，SFX使用奈米尺寸的晶體，這種晶體在實驗室中更容易生長。然而，使用奈米晶體意味著新的挑戰。我們不僅要從如此小的晶體中獲得足夠強的訊號，而且我們還面臨一些基本的物理挑戰：如何檢測小到顯微鏡下都看不見的奈米晶體，更不用說將它們定位在X射線脈衝前，並以每秒120次的速度持續這樣做？

首先，我們必須發明新的方法來觀察我們的奈米晶體。我們應用的方法之一稱為SONICC（手性晶體的二階非線性成像），其中晶體將兩個超快紅外光脈衝轉換為一個綠色光子——這會像夜晚的螢火蟲一樣點亮奈米晶體，以便我們可以檢測到它們。

另一項發明以一致的速度將晶體射入X射線雷射脈衝。我們中的一位（斯彭斯）與亞利桑那州立大學的物理學家烏韋·韋爾斯塔爾和現在在德國海德堡馬克斯·普朗克醫學研究所的R·布魯斯·多克一起，發明了一種裝置，其功能很像噴墨印表機，在X射線束上噴射含有奈米晶體溶液的流束。這種注射器非常精確地發射奈米晶體，以至於它們以單行佇列的形式進入光束。

為了防止注射器堵塞——這可能會關閉奈米晶體的流束——韋爾斯塔爾不得不設計一個寬噴嘴，該噴嘴仍然具有產生窄流束的能力。他透過用氦氣流包圍噴嘴的外端來實現這一點，即使噴嘴本身比人發粗10倍以上，也能將晶體流束聚焦到人發的極小一部分。

一旦我們擁有了所有必要的機器，我們就面臨著另一個問題：如何掌握像珠穆朗瑪峰一樣龐大的資料。一個單獨的實驗可以生成高達100太位元組的資料，足以填滿25個頂級臺式電腦硬碟。為了構建三維檢視，我們必須找到併合並數萬張快照中每個晶體的正確方向。因此，我們與當時都在DESY查普曼團隊的理查德·基裡安和托馬斯·懷特合作開發了特殊的軟體。藉助新軟體，我們可以將海嘯般的資料轉化為分子的精確三維影像。

我們逐步改進了我們的技術。到2014年，我們的工作首次讓我們即時瞥見了光合作用中兩個關鍵參與者——大型陽光捕獲器光系統I和一種名為鐵氧還蛋白的蛋白質之間的電子轉移。

當光照射到光系統I時，它被轉化為電子，然後鐵氧還蛋白將電子帶走，用於將CO₂轉化為生物分子。當鐵氧還蛋白離開時，蛋白質晶體迅速溶解，使得反應難以追蹤。只有超快的SFX過程才能看到這種快速變化。

這項研究的下一個挑戰是弗羅姆作為生物化學家的工作重點：揭示植物如何僅使用陽光和地球上豐富的金屬將水分解成氫和氧。像植物一樣分解水可以提供廉價、清潔燃燒的氫氣作為汽車和發電機燃料，這是發展可再生能源經濟的長期夢想。

我們收集了水分解過程的第一批低解析度快照，並看到了所涉及的蛋白質複合物——光系統II的顯著結構變化的初步跡象。就在最近，在日本岡山大學工作的沉建仁小組應用SFX技術展示了該過程的相同快照，甚至更詳細。接下來，我們尋求製作高解析度電影，以揭示原子水平上該過程的所有階段，並發現光合作用的秘密。

設計藥物

現在科學家們已經開始使用SFX製作電影，我們製作的電影不僅可能導致未來的突破，而且可能更直接地帶來新的和更好的藥物。當我們研究血管緊張素II受體阻滯劑（ARB）時，我們看到了這種潛力。這些藥物會干擾激素血管緊張素II的細胞受體，血管緊張素II會收縮血管。ARB用於治療高血壓（高血壓），高血壓是美國中風和心力衰竭的主要原因。雖然第一代這些藥物已被證明是有用的，但這些藥物與其靶標的結合力較弱，必須以高劑量使用，從而加重其副作用，副作用可能包括頭痛和頭暈，偶爾還會出現更嚴重的問題，如面部和喉嚨腫脹。

我們的研究揭示了結合不良背後的原因：這些藥物實際上與受體的契合度不如它們應該的那麼好，因此它們的許多分子脫落了。更精確的受體結構可能會導致新的ARB，從而更有效地控制血壓。事實上，一種名為ZD7155的藥物已經在評估中。

這些改進也可能改善許多其他藥物。血管緊張素II受體屬於一類更大且極其重要的細胞受體，稱為G蛋白偶聯受體。這些細胞表面分子使細胞能夠感知並響應其環境。首次揭示此類受體的結構和作用的科學家獲得了2012年諾貝爾化學獎，以表彰這一突破。G蛋白偶聯受體在細胞存活和生長中發揮的關鍵作用使其成為新藥的關鍵靶標。能夠看到它們的結構如何變化將有助於藥物化學家設計出與受體精確契合且處於活性狀態的藥物，從而降低副作用的風險。

南加州大學的瓦迪姆·切列佐夫（Vadim Cherezov）說：“我們已經表明，在所有先前的分子模型中，關於受體和藥物如何契合的最佳猜測在許多重要細節上都是錯誤的。” 他進行了血管緊張素II實驗。例如，SFX揭示了G蛋白偶聯受體在室溫下的結構與傳統上在晶體學中使用的低溫下的結構存在差異——這意味著為冷凍溫度下的受體設計的藥物在溫暖的人體中使用時將無法正確契合。（有時藥物的目標太廣泛。這是用於治療昏睡病的藥物的問題。我們的運動影像顯示，這些藥物與引起該疾病的寄生蟲的蛋白質以及人體細胞的蛋白質以相似的方式相互作用。我們更精確的影像使化學家有機會製造出僅影響寄生蟲蛋白質而不是人的藥物。）

眼睛說了算

我們也很高興看到其他研究人員正在使用我們的SFX技術來回答不同的問題。例如，威斯康星大學密爾沃基分校的馬裡烏斯·施密特和他的同事們使用了分子電影來幫助解釋我們的眼睛如何看到東西。雖然我們通常不認為細菌有視覺能力，但它們具有光敏蛋白質，這些蛋白質是我們自身視覺系統中蛋白質的進化前體。透過捕捉比以往任何時候都快的快照，該團隊製作了一個超慢動作影片，記錄了極快的事件，揭示了細菌中的蛋白質如何感知和響應光。

該小組使用SFX捕捉了結晶蛋白質在不到萬億分之一秒的增量中對光反應的影像。具體而言，該團隊繪製了蛋白質中埋藏的染料分子在響應光而變成黃色時蛋白質原子的運動。首次捕捉到了黃色染料在吸收光後立即但在反應之前捕捉到的結構；這種狀態對於包括細菌和植物在內的所有生物體的光感知至關重要，並且是人類視覺中的第一個事件。

瞭解這種蛋白質如何響應光不僅有助於我們理解視覺是如何產生的，而且還使我們能夠以前所未有的方式觀察生物反應如何在化學的超快時間尺度上展開。施密特說：“這使我們大大接近於理解所有生命必需的化學物質。”

我們確信，蛋白質晶體學的未來——以及我們對自然的認識——在於SFX方法。誰知道呢——也許在10年內，一半已知的蛋白質結構將不再是教科書頁面上的靜態影像，而是三維電影。