科学家有效地利用欧洲X射线自由电子激光设施(EuXFEL)的高X射线脉冲来制作详细的分子电影。这类信息可以帮助我们更好地理解药物分子如何与人类细胞中的蛋白质发生反应,或者植物蛋白质如何储存光能。
传统的结构生物学方法使用X射线产生蛋白质分子的3D结构快照。虽然这些信息很有价值,但并没有揭示生物分子过程动力学的细节。以足够快的速度连续拍摄快照,将快照连在一起,就形成了分子电影。EuXFEL公司生产的极短X射线脉冲能够收集大量数据,制作出比以往更多帧的电影。一个国际科学家小组已研究出如何利用EuXFEL的X射线高重复率制作分子电影,揭示我们从未见过的细节。开展这类实验必须仔细校准仪器和组件,并准确掌握它们的性能。科学家们提出了一种实验装置,将测量结果紧密地结合在一起,最大程度的收集数据,同时确保样品不受激光脉冲的影响。
EuXFEL产生的极短且明亮的X射线脉冲,可用于研究生物过程的细节,利用其产生的X射线脉冲收集大量数据来制作分子电影,可以看到一些不可思议的现象。
飞秒晶体学仪器(SPB/SFX)团队还可以调整研究蛋白质的实验参数:根据单个蛋白质晶体的大小适当改变光脉冲光斑大小,以及根据光学和X射线激光之间的时间延迟调整反应持续时间。EuXFEL实验室获得的专业知识将使科学家能够使用连续飞秒晶体学(SPB/SFX)仪器制作分子电影。
为了进行实验,科学家们研究了一种被称为光活性蛋白(PYP)的光敏蛋白质,它常被科学家用作评估新实验装置的模型系统。通过与之前在其他设施收集到的数据比对,证明新装置的有效性。他们还能够获得一个先前未知的测定时间范围,揭示有关生物反应的新细节。
科学家们用EuXFEL观察生物反应过程,持续时间从不到十亿分之一秒到几千分之一秒不等。就像需要非常短的快门速度拍摄高质量比赛照片一样,在生物反应过程中,需要非常短的X光脉冲来拍摄一系列快照。EuXFEL的极短X射线光脉冲足够短,高重率的X射线脉冲能够帮助科学家在实验期间收集足够的数据。
在时间分辨晶体学实验中,可以使用非常短的激光脉冲来激发晶体蛋白质。这会触发蛋白质内部的反应,经过几皮秒(皮秒是百万分之一秒的百万分之一)的极短预定延迟后,蛋白质晶体被X射线激光脉冲击中。虽然EuXFEL的X射线激光强大到足以破坏晶体,但在探测器获取蛋白质中原子位置的信息之前,仍可以保证晶体完整。然后使用新的晶体重复这个过程,晶体通过液体射流不断地被送入X射线束中。也会调整预先定义的延迟,以便探索整个反应的不同时间点。然后将一系列时间点发生的动力学和结构变化的信息结合在一起,形成分子电影。