让分子随着我们的节奏起舞揭示了驱动它们第一次运动的因素

将超快物理学引入结构生物学，以前所未有的清晰度揭示了分子“一致性”的舞蹈。

分子对光等刺激做出反应时如何变化是生物学的基础，例如在光合作用过程中。科学家们一直在努力揭示这些变化在多个领域的作用，通过将其中两个结合起来，研究人员为理解生命基础蛋白质分子反应的新时代铺平了道路。

由帝国理工学院生命科学系Jasper van Thor 教授领导的大型国际研究团队今天在《自然化学》杂志上报告了他们的研究结果。

晶体学是结构生物学中一项强大的技术，用于拍摄分子排列方式的“快照”。经过几次大规模实验和多年的理论工作，这项新研究背后的团队将其与另一种绘制分子电子和核结构振动的技术(称为光谱学)结合起来。

研究小组在世界各地强大的 X 射线激光设施上展示了这项新技术，结果表明，当他们研究的蛋白质内的分子受到光学激发时，它们的第一次运动是“相干性”的结果。这显示了随后的生物反应的功能部分的振动效应，而不是运动。

这是首次通过实验证明的重要区别，凸显了光谱物理学如何为结构生物学的经典晶体学方法带来新的见解。

范托尔教授说：“维持生命的每个过程都是由蛋白质进行的，但是了解这些复杂分子如何发挥作用取决于了解它们原子的排列以及它们在反应时这种结构如何变化。

“利用光谱学方法，我们现在可以通过解析其晶体结构，直接以图形形式看到属于所谓相干过程的超快分子运动。我们现在拥有能够以近原子分辨率在极快的时间尺度上理解甚至控制分子动力学的工具。

“我们希望通过分享这项新技术的方法细节，我们可以鼓励时间分辨结构生物学和超快激光光谱领域的研究人员探索相干晶体结构。”

组合技术

结合需要使用 X 射线自由电子激光 (XFEL) 设施的技术，包括的直线加速器相干光源 (LCLS)、日本的 SPring-8 Angstrom 紧凑型自由电子激光 (SACLA)、PAL-韩国的 XFEL 以及最近在汉堡的欧洲 XFEL。

该团队的成员自 2009 年以来一直在 XFEL 工作，使用和理解飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)时间尺度上反应蛋白质的运动，称为飞化学。在激光脉冲激发后，使用 X 射线拍摄结构的“快照”。

这项技术于 2016 年取得了早期成功，获得了生物蛋白质光诱导变化的详细图像。然而，研究人员仍然需要解决一个关键问题：在第一个激光脉冲之后，飞秒时间尺度上的微小分子“运动”的起源是什么?

先前的研究假设所有运动都对应于生物反应，即其功能性运动。但使用新方法，研究小组发现实验中情况并非如此。

连贯控制

为了得出这个结论，他们创造了“相干控制”——塑造激光以可预测的方式控制蛋白质的运动。继 2018 年在斯坦福大学 LCLS 取得初步成功后，检查和验证该方法需要在世界各地的 XFEL 设施进行总共六次实验，每次都组建大型团队并形成国际合作

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