物理

飛秒級分子電影Action

科學家結合雷射與晶體的新技術,記錄藥物反應或光合作用的關鍵數飛秒,協助我們了解分子如何進行交互作用。

撰文/弗洛姆(Petra Fromme)、史賓斯(John C. H. Spence)
翻譯/甘錫安

物理

飛秒級分子電影Action

科學家結合雷射與晶體的新技術,記錄藥物反應或光合作用的關鍵數飛秒,協助我們了解分子如何進行交互作用。

撰文/弗洛姆(Petra Fromme)、史賓斯(John C. H. Spence)
翻譯/甘錫安


美國加州帕洛亞托附近山丘的地下深處,科學家在實驗室中匆匆來去,為一連串「爆破」做最後的準備。他們計畫爆破蛋白質晶體,揭露自然界中不為人知的奧秘:植物的光合作用如何把光轉換成化學能。一旦揭開了這個奧秘,人類將朝用之不竭的潔淨能源邁進一步。


2009年12月,史丹佛直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室裡,一群睡眠不足的研究人員和學生已經持續工作了好幾天,準備運用全世界能量最強的X射線雷射進行這項實驗;這座直線型加速器同調光源(LCLS)可把電子加速到接近光速。一組人埋首調整噴頭,把蛋白質晶體噴入X射線束;另一組則在噴頭中裝入第一光系統(photosystem I)晶體,這種蛋白質複合體是植物進行光合作用的關鍵。


在三公里長的加速器隧道末端,晶體開始噴入高強度雷射。但這些晶體爆開前,已經由一項新開發的技術拍下其身影。現在這項技術將大幅改變我們對最小尺度生物學的理解,因為目前我們可以把數飛秒(1飛秒是10-15秒)的一連串快速影像拼接成影片。


物理學家費曼(Richard Feynman)說過:「所有生物活動都可以想成原子在搖動和擺動。」但以往我們無法直接看見生物內部原子和分子的搖動或擺動。序列飛秒晶體學(serial femtosecond crystallography, SFX)技術可讓我們觀察分子的迅疾變化,以判斷藥物如何影響受感染的細胞,並且窺看化學反應如何把能量轉換成不同的型式。


世界各地的研究團隊已經開始運用SFX,深入探查實驗藥物如何調節血壓,以開發更有效的降血壓藥物。SFX也揭露了非洲昏睡症破壞紅血球酵素結構的過程,這種由寄生蟲導致的疾病可能致人於死。再者,SFX還讓人類首度目睹光合作用的初期階段,觀察水如何分解成氫和氧。


2009年在那間地下實驗室中,X射線脈衝開始摧毀我們精心製作的晶體,關鍵時刻到了。許多科學家說SFX不可能成功,拒絕核准經費資助。但是還記得當我們看見美麗的X射線散射影像在電腦螢幕顯現,實驗室裡歡聲雷動、不絕於耳,證明X射線科學的新領域已然誕生。


捕捉飛秒瞬間


SFX問世前,科學家在探測特定化學結構方面已經獲得驚人的進展,但仍然難以實際觀察到最精細複雜的生物結構。舉例來說,已過世的1999年諾貝爾化學獎得主齊威爾(Ahmed H. Zewail),於1980年代發明一套方法,藉由超快可見光雷射脈衝觀察化學反應中的原子運動。然而這種光的波長太長,難以分辨蛋白質結構最微小的細節。近年來,顯微技術大幅進展,已可呈現解析度與原子相當的蛋白質和病毒影像,但拍攝速度不夠快,無法捕捉到光合作用這類迅疾的反應。


我們決定使用X射線,因為它的高速拍攝和解析度可記錄進行中的生物反應。我們的研究關鍵在於,如何在X射線摧毀分子的前一刻,藉由X射線捕捉分子影像。科學家以往進行這類研究,必須辛苦製作蛋白質和其他分子的大型晶體,以得知晶體內部原子的位置;接著運用X射線照射晶體,記錄X射線的散射或繞射圖形。分子在晶體內部有固定的排列方式,因此科學家可以透過X射線的散射方式,推測出原子的位置和種類。這種方法稱為X射線晶體學(x-ray crystallography),我們開發的SFX也是運用相同的原理來觀察原子在結構中的位置,但拍攝速度快上許多。


然而,X射線最後摧毀了我們想觀察的分子。一般大多認為,X射線雷射是把高能量X射線集中成高強度光束,因此狀況只會更糟。單單高強度雷射就能把鋼鐵燒出一個洞,許多人可能認為脆弱的生物分子一定無法承受。我們必須在X射線傷害晶體前的幾飛秒內搶先捕捉到影像。為了說明得更清楚,一飛秒和一秒之間的差異相當於一秒和3200萬年。


SFX技術的關鍵在於,從分子受X射線雷射脈衝照射到電子因X射線能量而脫離原子的片刻。電子脫離後,帶正電的原子核將互相推斥,分子膨脹進而爆裂。


整個過程的運作機制是:首先我們使分子交互作用,形成微小的晶體。接著利用極短暫的高強度X射線束脈衝照射晶體,在光束能量破壞分子之前,讓一部份X射線剛好足以從晶體散射。最後,以一具偵測器捕捉散射的X射線,所記錄的圖形會呈現蛋白質中原子的位置和種類。透過一連串蛋白質晶體以不同角度噴入X射線束的影像,我們就可重建蛋白質的立體結構。然後,匯整化學反應中不同時間點的影像,並仿照電影膠片把一張張影像依序排列。


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