世界最快电影捕捉分子运动

在加利福尼亚州帕洛阿尔托附近的山麓深处，科学家们匆匆穿过一个地下实验室，为一系列爆炸做最后的准备。他们的计划是：炸毁微小的蛋白质晶体，这些晶体可以揭示自然界最保守的秘密之一——植物光合作用如何将光转化为化学能。潜在的回报：迈向无限清洁能源的一步。

那是2009年12月，在SLAC国家加速器实验室，一个睡眠不足的研究人员和学生团队连续几天不停地工作，以便在世界上最强大的X射线激光器——直线加速器相干光源（LCLS）上设置这个实验，LCLS可以将电子加速到接近光速。一组人狂热地调整注射器，这些注射器会将蛋白质晶体射入X射线束。另一组人则将注射器装满了新鲜的蛋白质复合物——光系统I的晶体，这是光合作用的关键。

在两英里长的加速器隧道的尽头，晶体开始进入强烈的激光束。但在每个晶体爆炸之前，都使用一种新开发的科学技术拍摄了它的快照。今天，这种方法有望重塑我们对微观生物学的理解，因为我们现在可以将一系列快速的图像——以飞秒或百万分之一秒的百万分之一秒拍摄——组合成电影。

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物理学家理查德·费曼曾说过：“生物所做的一切都可以用原子的摆动和晃动来理解。” 但我们以前从未能够以这种速度直接看到生物体内原子和分子的晃动。我们的方法称为串行飞秒晶体学（SFX），使我们能够观察高速分子舞蹈，这些舞蹈决定了药物如何影响病变细胞以及化学反应如何将能量转化为不同的形式。

世界各地的研究团队已经使用SFX揭示了一种实验性药物如何调节血压的精细细节——为开发更好的高血压药物铺平了道路。SFX还显示了破坏昏睡病（一种由寄生虫引起的致命疾病）中红细胞的酶的结构。并且它首次展示了光合作用过程中将水分解成氢和氧的最初步骤。

回到2009年的那个地下实验室，随着X射线脉冲开始摧毁我们精心形成的晶体，风险很高。许多科学家曾说过SFX永远不会奏效，并拒绝了我们的资助申请。但随后，散射X射线的美丽图像开始出现在计算机屏幕上。我们仍然记得，当我们看到将成为一种新的X射线科学领域诞生的证据时，房间里爆发出的欢呼声。

X射线视觉

在SFX之前，科学家们在检测某些化学结构的变化方面取得了惊人的进展，但他们实际上无法观察到最精细和复杂的生物结构的运动。例如，在20世纪80年代，已故化学家艾哈迈德·H·泽维尔发明了一种使用超快可见激光脉冲观察化学反应中原子运动的方法。然而，光的波长太长，无法区分蛋白质结构的最细微细节。最近，显微镜技术的巨大进步产生了接近原子分辨率的蛋白质和病毒图像。但它们不够快，无法捕捉到光合作用等快速反应。

我们决定使用X射线，它具有必要的速度和分辨率来记录运动中的生物反应。我们工作的关键是开发一种技术，使X射线能够在破坏分子之前的瞬间形成分子的图像。传统上，从事这项工作的科学家会费力地生长大型蛋白质和其他分子的晶体，以绘制其中原子的位置。然后，他们将X射线从晶体上反射出去，并记录X射线散射或衍射的图案。在晶体中，分子以有序排列的方式固定到位，因此X射线以可预测的方式散射，使科学家能够解释原子的位置和身份。这种方法称为X射线晶体学，我们的串行飞秒晶体学使用相同的原理来观察原子结构，但速度更快。

然而，X射线最终会破坏我们试图观察的分子。人们普遍认为，X射线激光器将高能X射线集中成强大的光束，只会使情况变得更糟。激光器的强光本身就可以在钢材上打孔。人们会认为，脆弱的生物分子不会有机会。我们需要跑赢X射线的破坏速度，并在飞秒内捕捉到图像。从透视的角度来看，一飞秒和一个完整秒之间的差异相当于一秒和3200万年之间的差异。

SFX技术的关键在于分子被X射线激光脉冲击中和电子被X射线能量从其原子上剥离之间那段难以察觉的极短时间。被剥夺了电子后，带正电的残余物相互排斥，导致分子膨胀并最终爆炸。

以下是它的工作原理：首先，我们促使分子相互作用形成微小的晶体。然后，我们以极短的脉冲向晶体发射强大的X射线束，脉冲的持续时间正好足以让一些X射线在光束能量将分子撕裂之前从晶体上散射出去。最后，探测器捕获反射的X射线，其图案揭示了蛋白质中原子的类型和位置。通过捕捉一系列蛋白质晶体在不同角度翻滚通过X射线束时的图像，我们可以重建三维结构。最后，我们可以收集反应中不同时间点的图像，并将这些图片按顺序放在一起，就像电影胶片中的图像一样。

结晶视图

制作这些分子电影的第一步是在2000年实现的，当时生物物理学家亚诺什·哈吉杜和理查德·诺伊茨（当时都在瑞典的乌普萨拉大学）计算出，分子在被X射线击中后大约需要10飞秒才能开始爆炸。因此，科学家需要比这更快地拍摄快照。2006年，现在在德国电子同步加速器（DESY）的亨利·查普曼和他的同事们使用“先衍射后破坏”的方法，成功地捕捉到了蚀刻在氮化硅膜上的两个微小火柴人和太阳的低分辨率图像。

但这是否适用于脆弱的生物分子？当我们提出尝试时，科学界的大部分人持怀疑态度。我们的前10份资助申请都被拒绝了。怀疑者说，X射线激光脉冲不够短，或者蛋白质晶体太小而无法给出任何可检测到的信号，或者我们永远无法弄清楚晶体在被X射线脉冲击中时的方向，而这是确定其结构所需的信息。

但我们认为，如果其他种类的分子可以成像，正如查普曼所证明的那样，那么生物分子也可以成像。我们中的一位（弗罗姆）和她的团队试图使用最难以想象的测试之一——光系统I来证明SFX。它由36种蛋白质和300多种捕获光线的绿色和橙色色素组成，是迄今为止使用X射线分析的最复杂的蛋白质结构之一。

弗罗姆非常了解光系统I，她多年来一直致力于将其结晶并使用其他方法确定其结构。我们还认为，这种生物分子复合物的巨大尺寸实际上可能是一个优势，因为即使只有少量的衍射图案，我们也可以获得一个低分辨率的图像，该图像可以被识别为光系统I。这就是我们在2009年的那个地下实验室中所能做到的。

小即是美

为了获得我们的快照，我们首先需要光系统I的晶体。在典型的晶体学中，科学家们会生长大型晶体，长期以来，大型晶体对于产生足够的X射线散射以重建蛋白质结构是必要的。但是，生长某些蛋白质的大型、有序良好的晶体可能需要多年的实验。事实证明，有几种蛋白质几乎不可能生长出来，而光系统I就是其中之一。

相反，SFX使用纳米尺寸的晶体，这种晶体在实验室中更容易生长。然而，使用纳米晶体意味着新的挑战。我们不仅要从如此小的晶体中获得足够强的信号，而且我们还面临一些基本的物理挑战：如何检测小到显微镜下都看不见的纳米晶体，更不用说将它们定位在X射线脉冲前，并以每秒120次的速度持续这样做？

首先，我们必须发明新的方法来观察我们的纳米晶体。我们应用的方法之一称为SONICC（手性晶体的二阶非线性成像），其中晶体将两个超快红外光脉冲转换为一个绿色光子——这会像夜晚的萤火虫一样点亮纳米晶体，以便我们可以检测到它们。

另一项发明以一致的速度将晶体射入X射线激光脉冲。我们中的一位（斯彭斯）与亚利桑那州立大学的物理学家乌韦·韦尔斯塔尔和现在在德国海德堡马克斯·普朗克医学研究所的R·布鲁斯·多克一起，发明了一种装置，其功能很像喷墨打印机，在X射线束上喷射含有纳米晶体溶液的流束。这种注射器非常精确地发射纳米晶体，以至于它们以单行队列的形式进入光束。

为了防止注射器堵塞——这可能会关闭纳米晶体的流束——韦尔斯塔尔不得不设计一个宽喷嘴，该喷嘴仍然具有产生窄流束的能力。他通过用氦气流包围喷嘴的外端来实现这一点，即使喷嘴本身比人发粗10倍以上，也能将晶体流束聚焦到人发的极小一部分。

一旦我们拥有了所有必要的机器，我们就面临着另一个问题：如何掌握像珠穆朗玛峰一样庞大的数据。一个单独的实验可以生成高达100太字节的数据，足以填满25个顶级台式电脑硬盘。为了构建三维视图，我们必须找到并合并数万张快照中每个晶体的正确方向。因此，我们与当时都在DESY查普曼团队的理查德·基里安和托马斯·怀特合作开发了特殊的软件。借助新软件，我们可以将海啸般的数据转化为分子的精确三维图像。

我们逐步改进了我们的技术。到2014年，我们的工作首次让我们实时瞥见了光合作用中两个关键参与者——大型阳光捕获器光系统I和一种名为铁氧还蛋白的蛋白质之间的电子转移。

当光照射到光系统I时，它被转化为电子，然后铁氧还蛋白将电子带走，用于将CO₂转化为生物分子。当铁氧还蛋白离开时，蛋白质晶体迅速溶解，使得反应难以追踪。只有超快的SFX过程才能看到这种快速变化。

这项研究的下一个挑战是弗罗姆作为生物化学家的工作重点：揭示植物如何仅使用阳光和地球上丰富的金属将水分解成氢和氧。像植物一样分解水可以提供廉价、清洁燃烧的氢气作为汽车和发电机燃料，这是发展可再生能源经济的长期梦想。

我们收集了水分解过程的第一批低分辨率快照，并看到了所涉及的蛋白质复合物——光系统II的显著结构变化的初步迹象。就在最近，在日本冈山大学工作的沉建仁小组应用SFX技术展示了该过程的相同快照，甚至更详细。接下来，我们寻求制作高分辨率电影，以揭示原子水平上该过程的所有阶段，并发现光合作用的秘密。

设计药物

现在科学家们已经开始使用SFX制作电影，我们制作的电影不仅可能导致未来的突破，而且可能更直接地带来新的和更好的药物。当我们研究血管紧张素II受体阻滞剂（ARB）时，我们看到了这种潜力。这些药物会干扰激素血管紧张素II的细胞受体，血管紧张素II会收缩血管。ARB用于治疗高血压（高血压），高血压是美国中风和心力衰竭的主要原因。虽然第一代这些药物已被证明是有用的，但这些药物与其靶标的结合力较弱，必须以高剂量使用，从而加重其副作用，副作用可能包括头痛和头晕，偶尔还会出现更严重的问题，如面部和喉咙肿胀。

我们的研究揭示了结合不良背后的原因：这些药物实际上与受体的契合度不如它们应该的那么好，因此它们的许多分子脱落了。更精确的受体结构可能会导致新的ARB，从而更有效地控制血压。事实上，一种名为ZD7155的药物已经在评估中。

这些改进也可能改善许多其他药物。血管紧张素II受体属于一类更大且极其重要的细胞受体，称为G蛋白偶联受体。这些细胞表面分子使细胞能够感知并响应其环境。首次揭示此类受体的结构和作用的科学家获得了2012年诺贝尔化学奖，以表彰这一突破。G蛋白偶联受体在细胞存活和生长中发挥的关键作用使其成为新药的关键靶标。能够看到它们的结构如何变化将有助于药物化学家设计出与受体精确契合且处于活性状态的药物，从而降低副作用的风险。

南加州大学的瓦迪姆·切列佐夫（Vadim Cherezov）说：“我们已经表明，在所有先前的分子模型中，关于受体和药物如何契合的最佳猜测在许多重要细节上都是错误的。” 他进行了血管紧张素II实验。例如，SFX揭示了G蛋白偶联受体在室温下的结构与传统上在晶体学中使用的低温下的结构存在差异——这意味着为冷冻温度下的受体设计的药物在温暖的人体中使用时将无法正确契合。（有时药物的目标太广泛。这是用于治疗昏睡病的药物的问题。我们的运动图像显示，这些药物与引起该疾病的寄生虫的蛋白质以及人体细胞的蛋白质以相似的方式相互作用。我们更精确的图像使化学家有机会制造出仅影响寄生虫蛋白质而不是人的药物。）

眼睛说了算

我们也很高兴看到其他研究人员正在使用我们的SFX技术来回答不同的问题。例如，威斯康星大学密尔沃基分校的马里乌斯·施密特和他的同事们使用了分子电影来帮助解释我们的眼睛如何看到东西。虽然我们通常不认为细菌有视觉能力，但它们具有光敏蛋白质，这些蛋白质是我们自身视觉系统中蛋白质的进化前体。通过捕捉比以往任何时候都快的快照，该团队制作了一个超慢动作视频，记录了极快的事件，揭示了细菌中的蛋白质如何感知和响应光。

该小组使用SFX捕捉了结晶蛋白质在不到万亿分之一秒的增量中对光反应的图像。具体而言，该团队绘制了蛋白质中埋藏的染料分子在响应光而变成黄色时蛋白质原子的运动。首次捕捉到了黄色染料在吸收光后立即但在反应之前捕捉到的结构；这种状态对于包括细菌和植物在内的所有生物体的光感知至关重要，并且是人类视觉中的第一个事件。

了解这种蛋白质如何响应光不仅有助于我们理解视觉是如何产生的，而且还使我们能够以前所未有的方式观察生物反应如何在化学的超快时间尺度上展开。施密特说：“这使我们大大接近于理解所有生命必需的化学物质。”

我们确信，蛋白质晶体学的未来——以及我们对自然的认识——在于SFX方法。谁知道呢——也许在10年内，一半已知的蛋白质结构将不再是教科书页面上的静态图像，而是三维电影。