科学家以生命的速度进行蛋白质成像

为了研究生物学的快速性-每个生命功能背后的蛋白质化学-科学家需要观察分子以难以想象的快速时间变化-万亿分之一秒或更短的时间进行变化和相互作用。

去年，这种速度的成像设备最终在欧洲X射线自由电子激光器或EuXFEL上进行了测试。现在，威斯康星州密尔沃基分校的一组物理学家完成了该设施的第一部分子电影，即蛋白质超快运动的“映射”。

有了这项功能，科学家们就可以观察蛋白质如何正常工作，或者它们的形变如何发生变化，从而导致疾病。

UWM物理学教授，设计实验的马里乌斯·施密特(Marius Schmidt)说：“创建蛋白质的物理功能图谱为回答更大的生物学问题打开了一扇门。“您可以说EuXFEL现在可以看作是有助于挽救生命的工具。”

他们的发现标志着蛋白质研究的新纪元，该疾病使涉及疾病的酶能够以前所未有的清晰度实时观察有意义的持续时间。该论文今天在线发表在《自然方法》杂志上。

EuXFEL以极短的脉冲以兆赫兹的频率产生强烈的X射线-每秒百万个脉冲。射线以称为X射线晶体学的方法对准含有蛋白质的晶体。当晶体受到X射线脉冲的撞击时，它会衍射光束，以一定的模式散射，从而揭示出原子的位置并产生“快照”。

速射X射线脉冲从光束落在晶体上的成千上万个角度产生每个图案的2D快照。这些被数学地重建为运动的3D图像，显示了原子排列随时间的变化。

去年开业的欧洲XFEL将这种原子映射提升到了一个新的高度。极其强大的脉冲包含以每秒100毫秒间隔发生的“突发”中四分之一秒的X射线脉冲。

施密特(Schmidt)的实验始于蓝色的可见光闪烁，该闪烁在蛋白质晶体内部引发化学反应，随后立即产生兆赫兹脉冲的强烈X射线，产生“快照”。

这是他于2014年在美国能源部位于加利福尼亚的SLAC国家加速器实验室首次进行的实验。在那儿，他和他的学生能够在XFEL上首次记录蛋白质样品中的原子变化。

随后，在2016年，他们能够在蛋白质改变形状所需的时间范围内绘制原子的重排-万亿分之一秒(飞秒)到3万亿分之一秒(皮秒)。在十亿分之一秒(即一万亿分之一秒)中，光在此句子结尾处传播了整个时间段。

使用其他能够对时标大于100皮秒成像的X射线源，已经完成了其光反应蛋白的以前的时间分辨晶体学分析，留下了3-100皮秒之间的未知时间，科学家可以使用EuXFEL进行填补。

激光器出众的亮度和兆赫兹X射线脉冲率使他们可以更快，更高分辨率和更长的时间范围收集数据。

施密特将EuXFEL描述为“最高级的机器”。XFEL是世界上最大的XFEL，长3公里，跨越德国汉堡联邦州和石勒苏益格-荷尔斯泰因州之间的距离。超导技术用于加速产生X射线的高能电子。

迄今为止，生物物理学家Schmidt参与了30多个XFEL成像项目，他通过XFEL体验了增强晶体学的医学潜力：使用这种方法，他见证了多种蛋白质如何协同作用，酶如何对抗生素产生抗性禁用药物以及蛋白质如何改变其形状以吸收光并实现视觉。

博士生Suraj Pandey是从他的祖国尼泊尔来到UWM的，是该论文的第一作者。现在，他拥有世界上几乎没有人可以声称拥有的技术经验。他说他不确定实验会带来什么。

Pandey的作用是分析数据并计算结构变化图。XFEL发出的数百万个X射线脉冲中，大多数根本没有达到目标。实际上，只有1%到2%的蛋白质晶体会发生衍射，而其余的脉冲会产生“噪声”，必须从数据中去除这些噪声。

他说，车队也有其他担忧。Pandey花了几个月的时间才能生长出生产该实验晶体所需的蛋白质，但在将其运送到德国的过程中，这5克冷冻蛋白质在海关被扣留了几天，在此期间其中一些融化了。

成像的第一天后，他处理了数据，并可以首次在结果图中识别出强信号。他说：“这是一个突破。”“但是信号与先前实验预测的变化不符。我以为实验失败了。”

相反，他和EuXFEL操作员学习了第一堂课：引发反应的光脉冲必须与兆赫兹X射线脉冲完全同步。否则，蛋白质反应会在未知的时间分配中展开。而且他们必须确保样品仅被激发一次，结果证明在兆赫兹脉冲速率下非常棘手。

实验的最终成功使Pandey非常满意。

他谈到EuXFEL时说：“这是一种独一无二的技术。”“我们率先使用欧洲XFEL来观看有关蛋白质如何起作用的电影。我只是在飞翔。”

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