超快物理學在結構生物學中的應用以前所未有的清晰度揭示了分子”相干性”的複雜舞動。了解分子如何對光等刺激做出反應是生物學的基礎，例如在光合作用過程中。科學家們一直致力於揭示這些變化在多個領域中的運作，透過將其中兩個領域結合起來，研究人員為了解對生命至關重要的蛋白質分子反應的新時代鋪平了道路。

結合兩種技術，研究人員揭示了”相干性”在分子反應中的關鍵作用，為分子動力學的先進控制鋪平了道路。探測過程示意圖。資料來源：Samuel Perrett

由帝國理工大學生命科學系的賈斯珀-範-托爾（Jasper van Thor）教授領導的大型國際研究小組最近在《自然-化學》（Nature Chemistry）雜誌上報告了他們的研究成果。

晶體學是結構生物學中一項強大的技術，它可以拍攝分子排列方式的”快照”。經過數次大規模實驗和多年的理論研究，新研究背後的團隊將這項技術與另一項繪製分子電子和核構型振動圖的技術（即光譜學）結合。

研究小組在世界各地的強大X 射線雷射設備上演示了這項新技術，結果表明，當他們研究的蛋白質中的分子受到光學激發時，它們的最初運動是”相干”的結果。這表明這是一種振動效應，而不是隨後生物反應功能部分的運動。

實驗中首次顯示的這個重要區別，凸顯了光譜物理學如何為結構生物學的經典晶體學方法帶來新的啟示。

範托爾教授說：『維持生命的每一個過程都是由蛋白質完成的，但要了解這些複雜分子是如何完成它們的工作，就必須了解它們原子的排列，以及這種結構在反應過程中是如何變化的。利用光譜學的方法，我們現在可以透過解決其晶體結構，直接以圖像的形式看到屬於所謂相干過程的超快分子運動。我們現在擁有了以接近原子分辨率的極快時間尺度理解甚至控制分子動力學的工具。我們希望透過分享這項新技術的方法細節，能夠鼓勵時間分辨結構生物學以及超快雷射光譜學領域的研究人員探索相干過程的晶體結構”。

技術結合

將這些技術結合起來需要使用X射線自由電子雷射（XFEL）設施，包括美國的Linac相干光源（LCLS）、日本的SPring-8 Angstrom緊湊型自由電子雷射（SACLA）、韓國的PAL-XFEL以及最近在漢堡的歐洲XFEL。

自2009年以來，該團隊成員一直在XFEL工作，利用並了解飛秒（十億分之一秒）時間尺度上反應蛋白質的運動，稱為飛秒化學。在雷射脈衝激發後，利用X射線對結構進行”快照”。

2016 年，這項技術取得了初步成功，詳細描繪了光誘導生物蛋白質發生的變化。然而，研究人員仍需解決一個關鍵問題：在第一個雷射光脈衝之後，飛秒時間尺度上的微小分子”運動”直接源自何處？先前的研究假設所有的運動都與生物反應相對應，即其功能運動。但使用新方法後，研究團隊在實驗中發現並非如此。

相干控制

為了得出這一結論，他們創造了”相干控制”–塑造激光，以可預測的方式控制蛋白質的運動。2018 年在史丹佛的LCLS 取得初步成功後，為了檢查和驗證這種方法，他們在世界各地的XFEL 設施共進行了六次實驗，每次都組建了大型團隊，並形成了國際合作關係。然後，他們將這些實驗數據與從飛沫化學修改而來的理論方法結合，以便將其應用於X 射線晶體學數據而非光譜數據。

結論是，在皮米尺度和飛秒時間尺度上精確測量到的超快運動並不屬於生物反應，而是屬於剩餘基態的振動一致性。這意味著飛秒雷射脈衝過後”遺留”的分子會主導隨後測量到的運動，但僅限於所謂的振動相干時間內。

範索爾教授說：” 我們的結論是，在我們的實驗中，即使不包括相干控制，傳統的時間分辨測量實際上也是由來自黑暗”反應物”基態的運動所主導，而這些運動與光引發的生物反應無關。相反，這些運動與傳統的振動光譜法所測量的運動相對應，具有非常不同但同樣重要的意義這實際上是根據以前的理論工作預測出來的，但現在卻在實驗中得到了證實。這將對時間分辨結構生物學以及超快光譜學領域產生重大影響，因為我們已經開發並提供了分析超快飛秒時間尺度運動的工具。”