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超高速成像助力分子研究

May 15, 2017 No Comments

超高速成像助力分子研究1

超高速成像技术帮助研究者了解原子世界发生的事情。

 

化学家都是梦想家。他们每一天都在想象分子漂浮在空间里,原子在其中跳舞的情景。他们梦想从各个角度观察分子,甚至扭曲每个分子,直到一个化学键打开,新的化学键形成。

大多数化学家都会在脑海里播放这种分子反应的电影,因为这样可以可视化分子反应发生的过程。德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)的物理化学家Dwayne Miller表示,各个化学分支领域的研究者都喜欢想象原子的实时运动。这是整个领域的研究者的梦想。

自从分子结构的想法被首次提出后,150多年来化学家一直都怀揣着这个梦想。现在,这个梦想逐渐变成现实。研究人员使用一系列来探索分子电影的制作,但其中大部分技术都只能短暂地观察该场景。一些技术依赖于扫描隧道显微镜(STM),以实现原子精度,而另一些则使用强烈的X射线来观察原子运动。

他们的目标是以皮秒(ps, 10-12 s)或飞秒(fs, 10-15 s)的频率拍摄发生的事件,原子的移动距离大概在皮米级别(氢原子直径大约为100皮米)。在这种分辨率下,研究人员第一次可以直观地观察分子扭动的慢动作、原子键振动和断裂,甚至电子来回震荡。随着这些技术变得越来越普遍,对学界的影响也会越来越大。它们可以为催化剂、人造形式的光合作用等新方法提供关键信息。

这些电影的主角通常是一堆的分子——数十亿个相同分子整齐地形成微小的晶体。但现在,研究人员更关注的是单个分子。虽然单分子受量子力学规矩的约束,但并不遵循支配大块物质的古典统计学规律。因此,拍摄单分子能提供更多关于分子本质的信息。

随着世界各地的研究团队开发新的捕捉个体分子运动的方法,他们发现每种技术都有潜力从不同角度揭示分子行为。有些方法更擅长拍摄空间中的原子;有些方法则擅长在短时间内拍摄分子。

哥伦布俄亥俄州立大学(Ohio State University)物理学家Louis DiMauro指出,整个领域都希望能够制作分子电影,但制作Woody Allen电影和制作动画片是不同的。在这之前,分子电影都是按照类似动画片的方式制作的。如果将这些新技术结合在一起,我们就能够揭示一些前所未有的细节。DiMauro表示,这些技术的组合可以制作真正的分子电影。

 

电影开拍!

分子摄影可以追溯到20世纪80年代出现的捕获分子快照的方法。领先的技术——泵浦—探测光谱仪——使用持续仅仅飞秒的激光脉冲来触发化学反应(图:小世界)。一瞬间后,第二次飞秒脉冲发出,并与样品中的分子相互作用。这种方法改变了检测器测量光线的方式,并将其转化为分子的“图像”。通过一次又一次地重复实验,同时改变两个脉冲之间的延迟,研究人员就可以拍摄化学反应的每个阶段了。

 

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这种技术是一种飞秒化学技术,它前所未有地揭示了化学反应的内在作用,同时还揭示了分子转变成另一种分子的过程中形成的中间体。但是,飞秒化学中使用的激光的波长,远远大于原子之间的距离,因此该技术并不能揭示分子中原子的位置。

为了获得单个原子的清晰图像,科学家长期以来一直依靠X射线晶体学或电子衍射,来研究光子或电子在通过分子时如何散射。同时,诸如扫描电镜和原子力显微镜(AFM)等仪器可以提供单个分子中原子以及周围电子的精细图像。但是,这些技术通常需要几毫秒,甚至更长的时间来获取图像。这个速度太慢,无法捕获原子的来回移动。

鉴于此,在过去几年中,分子电影制作人员已将飞秒化学、衍射和原子成像结合起来,从而极大地提升了空间和时间分辨率。

去年,德国雷根斯堡大学(University of Regensburg)的研究人员使用激光脉冲来显著提高扫描电镜的拍摄速度。这种显微镜的顶端非常尖,大概在原子大小,因此可以在物质表面的分子上移动。由于短距离的量子行为,电子可以在分子和尖端之间流失,产生电流。当镜头尖端移动时,该电流的大小的变化揭示了分子周围运行的电子的形貌。

在雷根斯堡大学的实验中,研究人员通过在扫描电镜尖端发射太赫兹(THz)辐射——频率介于微波和红外线之间的激光脉冲来触发每张快照。这在尖端和目标分子并五苯(pentacene)之间产生足够的电压差异,以允许电子从分子中穿透出来。这种情况下,STM的快门速度可以达到100 fs——短到足以产生并五苯的电子轨道的照片。

失去电子后,并五苯分子在电力作用下向表面倾斜,导致其上下震动。此时,研究人员以不同的时间间隔去发射太赫兹脉冲来观察这种震动。研究团队的主要负责人之一、物理学家Jascha Repp表示,没有其它方法可以在单个分子中看到这种振荡。

虽然该实验本质上只是一个概念验证,但Repp认为他的团队可以将THz-STM的时间分辨率缩短到10 fs,从而可以拍摄更快的过程:电子在吸收光线后经过分子,或者氢离子在不同的位点之间来回跳跃——这是一个称为互变异构的过程,它可以影响许多生物分子的反应性。DiMauro指出,这可能具有革命性意义,因为你可以观察原子特异性的表面反应。

瑞士苏黎世IBM研究所的物理学家Leo Gross和Repp也希望将AFM投入使用。该仪器具有一个尖锐的尖端,就像一个记录手写笔,它在样本上扫描,分子的颤动受到轻微的原子和化学键的吸引或排斥,该方法的图片分辨率超过了STM。

 

大片制作

STM和AFM的吸引力之一是不锈钢真空室和探头设备都可以安装在一个小型实验室里。这些技术相对简单,便于研究者们掌握。

分子电影也有大制作。例如,加州SLAC国家加速器实验室斥资4.41亿美元的线性相关光源(LCLS)制作的分子大片。这种巨大的X射线自由电子激光器(X-ray free-electron laser, XFEL)可以产生明亮的相干脉冲,从而揭示蛋白质结构。但该仪器的预约非常困难,因为有大波实验室都在排队。

去年,一个国际研究小组报告称,他们使用LCLS的X射线脉冲首次观察到了关键的生物。该团队的目标是光活性黄蛋白(photoactive yellow protein, PYP),它一些细菌的光传感器。PYP的核心是含有不能自由扭曲的刚性碳—碳双键的光吸收区域。双键两端通常指向相反的方向——这种模式被称为反式。但是该团队使用蓝色激光脉冲来暂时断开其中的一个键,使分子扭曲成“顺式”,即两端指向相同的方向(图:激发光)。这种反式顺式异构现象常常发生在生物系统中,如视觉的化学过程就包含这种构象变化。

 

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该团队采用一系列40 fs长的X射线脉冲进行初始激光发射,从而产生了显示原子位置的衍射图。将一系列图片串联成电影后,他们发现,光激发PYP后,大约在550 fs会发生异构化。对此,坦佩亚利桑那州立大学(Arizona State University)的生物化学家Petra Fromme等人很意外,因为这种异构化并没有瞬间发生。这完全改变了他们对这种反应发生的看法。

该实验的目标是观察漂浮在溶液中的微米级晶体,但是其他研究人员已经设法使用LCLS来分析气体中的各个分子了。2015年,他们制作了一个环形分子打开——化学和生物化学的经典反应——的电影。由于X射线的波长太长,不能直接解析原子,所以该团队依靠理论模拟将图像锐化为16帧的分子电影。不过,可喜的是,目前成本为10亿美元的升级版LCLS-II正处于建设中,这将令LCLS-II的X射线波长更短、频率更快,从而有望改善分子电影的时间和空间分辨率。

而Fromme希望新一代XFEL(可能每个成本低于1500万美元)可以让更多科学家使用该技术。她目前正在与合作者共同研究两个原型机,并表示明年可能会完成首个原型机——位于德国汉堡的德国电子同步加速器(DESY)中的AXSIS。这些结构简单的XFEL将产生长达数百个10-18秒长的X射线脉冲。由于这些脉冲非常短暂,所以不会破坏目标分子。

XFEL的阿秒X射线脉冲的光子不足以产生单分子的清晰图像;使用这种脉冲就好像在低光下拍照一样。但是,人们正在讨论的一个想法是,SLAC这样的大型设备可以与XFEL的短脉冲结合。如果这样做能够实现真正的单分子XFEL成像,那么Fromme就希望用这种新技术来拍摄自然界最基本的过程之一:光子被生物分子吸收,并形成激发态。Fromme表示,至今还没有人知道这个过程的速度到底有多快。

 

分子自拍

LCLS中能量最高的X射线波长是150 pm,这有点太长了,导致无法分辨单独的碳或氢原子。为了进一步提高分辨率,研究人员可以使用快速移动的电子,因为电子具有更短的波长,通过分子衍射可以提供更好的空间分辨率。这是冷冻电子显微镜背后的原理。目前冷冻电镜正在革新整个结构生物学领域——尤其是它提供了冷冻样品中蛋白质的精微结构,而不需要先将样本制成晶体。

虽然冷冻电子显微镜能够提供多个分子的图像,但是其它技术却使用电子来对单个分子进行成像。去年,西班牙光电科学研究所(Institute of Photonic Sciences)负责人Jens Biegert领导的一个研究小组报道称,他们采用激光诱导电子衍射(laser-induced electron diffraction, LIED)研究乙炔(C2H2)的各个分子。在这种技术中,红外脉冲沿着一个确定的方向排列分子,然后第二个脉冲从其中轰击出两个电子,破坏乙炔两个碳氢键中的一个。

就像任何形式的光一样,这些激光脉冲由振荡的电场和磁场组成。第二个脉冲的电场接受一个释放的电子,并将其发射回分子。电子在第一次逃脱之后9 fs便可回到分子。由于它们行进的速度太快了,所以可以穿过碎片化的分子。在这种情况下,电子就像碎在岩石上的波浪,以低于1 fs的快门速度形成原子位置的图案。这可能是最后的分子自拍。

每次发生这种情况时,电子在稍微不同的方向发生衍射,所以Biegert的团队不得不一遍又一遍地重复这个过程,以收集足够的数据来建立清晰的乙炔碎片和氢离子的图片。每个成像都需要从天然气中分出一个完整的乙炔分子。在大约十亿次重复之后,该团队已经制作了几帧分子电影,它们显示了化学键的断裂过程。该团队希望尽快增加帧数,以解析更复杂的分子。

Biegert指出,这种LIED技术通过使用每个分子自身的电子对分子进行成像,从而避免了传统的电子衍射问题。传统的成像方法使用“电子枪”——即在整体样本上发射一束电子。由于这些电子在飞行时会相互排斥,从而增加了脉冲的长度,使其难以将快门速度设置在10 fs以下。

在分子动画制作的下一个阶段,其他研究人员希望将快门速度从飞秒提升到阿秒,从而产生慢动作电影。在这种快门速度下,原子似乎以缓慢的速度移动,电子运动变得更为清晰。对此,DiMauro指出,这将是关键的一步。因为电子的行为最终控制分子中原子的运动。他们已经开发了很好的技术来观察原子运动,但是如果想看到真实的分子电影,那么还需要观察电子。

大多数研究人员也同意这一观点,即现在需要把这项研究从小规模试点扩大到多项分子研究中。

Biegert认为,如果正在开发这些工具的研究人员能令化学家和材料科学家信服,那将会是一个巨大的进步。毕竟,理解的第一步是先意识到其重要性。

 


原文检索:
Mark Peplow. (2017) The next big hit in molecule Hollywood. Nature, 544(1038): 408-410.
张洁/编译

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