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要想看到千万亿分之一秒内的蛋白质变化,请用 AI

人工智能
wanwan (42055)发表于 2021年12月13日 18时45分 星期一
来自空中城堡
有没有因为一个人移动得太快而让一张本该完美的照片变模糊?科学家在记录蛋白质因为光改变结构的图像时遇到同样的问题。这个过程在自然界中很常见,多年来研究人员一直在试图捕捉它的细节。但他们长期以来一直被发生时的惊人速度挫败。

现在一组来自威斯康星大学密尔沃基分校(UWM)和德国 Deutsches Elektronen-Synchrotron 自由电子激光科学中心的研究人员将机器学习和量子力学计算结合起来,得到了迄今为止光活性黄蛋白(PYP)被光激发后最精确的结构变化记录。他们的研究发表在 11 月的《自然》期刊上,表明他们能将发生在几个飞秒内的过程制作成视频

当 PYP 吸收光时,它会吸收其能量,然后重新排列自身。由于该蛋白质在细胞内的功能是由其结构决定的,每当PYP在光照后折叠或弯曲,都会引起巨大的变化。UWM 的物理学家、研究合作者 Abbas Ourmazd 表示,蛋白质与光相互作用的一个重要例子是植物的光合作用。未参与研究的亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心主任 Petra Fromme 解释说,更具体地说,PYP 类似于我们眼睛中的蛋白质,当一种叫做视网膜的蛋白质改变形状时,会激活感光细胞,帮助在夜间看到东西。Fromme 指出,PYP 的形状变化还有助于一些细菌检测到可能对其DNA造成损害的蓝光,从而躲开它。

多年来,这种重要的光诱导分子形状转变(称为异构化)的细节一直困扰着科学家。Fromme 表示:“你看任何一本教科书,都会说这种异构化会在光激发后的瞬间发生。”但是对于科学家来说,“瞬间”并不是无法量化的——蛋白质结构的变化在极短的时间内发生——被称为飞秒或千万亿分之一秒。Fromme表示,一秒之于飞秒就相当于 3200 万年之于一秒。

科学家用同样短的X射线闪光实验性地探测这些短得令人难以置信的时间尺度。新研究使用了一个研究团队在加利福尼亚 SLAC 国家加速器实验室的一个特殊设施中以这种方式获得的数据,团队是由 UWM 物理学家 Marius Schmidt 领导。研究人员首先用光照射 PYP。然后用超短 X 射线爆击中它。从蛋白质反射回来的 X 射线(成为衍射X射线)反映了它的最新结构,这和从物体发射的光帮助拍摄传统照片的方式是一样的。脉冲的短暂性使科学家能在蛋白质的所有原子移动时获得位置的快照,这种方式类似于具有速度非常快的快门可以在猎豹奔跑时捕捉到它的腿的不同位置。