觀察蛋白質(zhì)在驅(qū)動(dòng)維持生命所需的化學(xué)反應(yīng)中的運(yùn)動(dòng)是現(xiàn)代生物學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。近年來，X射線自由電子激光器（XFEL）開始應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，它能夠捕捉分子在反應(yīng)過程中形狀變化的超快快照——有效地創(chuàng)建了分子慢動(dòng)作電影。

但這項(xiàng)技術(shù)也有代價(jià)：這些實(shí)驗(yàn)通常會(huì)消耗大量的珍貴蛋白質(zhì)樣本，使許多研究無法進(jìn)行。

如今，亞利桑那州立大學(xué)的研究人員及其國際同行，包括來自西班牙國家研究委員會(huì)（Consejo Superior de Investigaciones Científicas）的科學(xué)家，開發(fā)出一種裝置，能夠在保證高質(zhì)量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將樣品消耗量減少高達(dá)97%。這種名為微流控液滴注入器的裝置，能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)晶體以微小的、精確定時(shí)的液滴包形式，而非連續(xù)液流的形式，輸送到XFEL光束中。

該研究成果發(fā)表在《通訊化學(xué)》雜志上。

這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)展示藥物與其蛋白質(zhì)靶標(biāo)的相互作用，從而加速藥物研發(fā)，并幫助工程師為工業(yè)和生物技術(shù)設(shè)計(jì)更有效的酶。它還有助于更深入地了解疾病，研究難以生產(chǎn)的稀有蛋白質(zhì)，并在不造成過多樣品浪費(fèi)的情況下，充分發(fā)揮下一代X射線激光設(shè)備的潛力。

“實(shí)時(shí)觀察蛋白質(zhì)的反應(yīng)非常強(qiáng)大，但利用X射線晶體衍射技術(shù)揭示蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)行為所需的樣品量一直是個(gè)主要限制，”這項(xiàng)新研究的第一作者亞歷山德拉·羅斯說道。“我們的液滴方法大大降低了這一負(fù)擔(dān)，這令人振奮，因?yàn)楝F(xiàn)在更多的實(shí)驗(yàn)室可以研究以前成本過高或不切實(shí)際的動(dòng)態(tài)問題?！?/p>

羅斯教授是亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中心和分子科學(xué)學(xué)院的研究員。她與亞利桑那州立大學(xué)的同事和國際研究人員組成團(tuán)隊(duì)，其中包括來自西班牙國家研究委員會(huì)（CSIC）的合作者。

原子尺度上的運(yùn)動(dòng)凍結(jié)

XFEL（超自由電子激光器）通過發(fā)射持續(xù)時(shí)間僅為飛秒（一千萬億分之一秒）的超短脈沖，有效地凍結(jié)了運(yùn)動(dòng)。在這極短的時(shí)間內(nèi)，光本身的傳播距離甚至比一根頭發(fā)絲的寬度還要短。

在這些實(shí)驗(yàn)中，首先將蛋白質(zhì)培養(yǎng)成微觀晶體，然后將其暴露于XFEL脈沖下。這會(huì)產(chǎn)生衍射圖樣，研究人員利用這些圖樣重建分子在原子尺度上的作用快照。

在傳統(tǒng)的X射線自由電子激光（XFEL）實(shí)驗(yàn)中，蛋白質(zhì)晶體被連續(xù)噴射到X射線束的路徑上。然而，只有一小部分物質(zhì)會(huì)被X射線脈沖擊中，這意味著大部分蛋白質(zhì)都被浪費(fèi)掉了。而新的系統(tǒng)則生成一系列微小的液滴，每個(gè)液滴都攜帶少量樣品。這些液滴的噴射與激光脈沖的定時(shí)同步，因此樣品只會(huì)在需要時(shí)到達(dá)。

研究人員利用歐洲X射線自由電子激光器，采用時(shí)間分辨串行飛秒晶體學(xué)技術(shù)，該技術(shù)能夠捕捉蛋白質(zhì)在反應(yīng)過程中形狀的變化。借助這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，他們研究了一種名為NQO1的人類酶，該酶在細(xì)胞解毒和抵抗氧化應(yīng)激方面發(fā)揮著重要作用。