兩年兩大頂級期刊新成果探索重點技術

　　《Nature Methods》盤點2015年度技術，選出了最受關注的技術成果：單粒子低溫電子顯微鏡（cryo-EM）技術。 除此之外，也整理出了2016年最值得關注的幾項技術，分別為：細胞內蛋白標記（Protein labeling in cells）、細胞核結構（Unraveling nuclear architecture）、動態蛋白質結構（Protein structure through time）、精準光遺傳學（Precision optogenetics）、高度多重化成像（Highly multiplexed imaging）、深度學習（Deep learning）、亞細胞結構圖譜（Subcellular maps）和綜合單細胞圖譜（Integrated single-cell profiles）。

　　其中動態蛋白質結構（Protein structure through time）分析技術主要指的就是時間分辨晶體學技術（time-resolved crystallography），這種技術在2014與2015年間多次出現在Nature，Science兩大頂級期刊中，取得了許多重要的進展，令科學家們可以觀察到快速蛋白結構的變化。

　　蛋白靜態結構能幫助生物學家了解其功能，但研究人員還希望能觀察到蛋白的動態變化，然而要想檢測瞬時中間構象并不是件容易的事。

　　分析蛋白質動態變化可以采用的一種方法：時間分辨X射線晶體技術 (TRX)。這種方法利用激光“泵”脈沖啟動一個反應，然后X射線“探測”到脈沖，收集一系列隨著反應發生的衍射圖樣。

　　過去要完成這樣的實驗需要非常專業化的激光同步源，而且這些設備存在“限速”——約100 皮秒。現在近期技術進展能通過超快X 射線自由電子激光 (XFELs)，來提供飛秒級的時間分辨率，允許研究人員觀察非常迅速的結構變化。

　　2014年，亞利桑那州立大學等處的研究人員就利用SLAC國家加速器實驗室世界上最強大的X射線燈，獲得了光系統II(photosystem II)將水分解為氫和氧時這一分子復合體的第一批成像圖片。這一研究成果公布在Nature雜志上。

　　利用直線加速器相干光源LCLS（Linac Coherent Light Source），研究人員監測了光系統II復合體分子結構的改變，分辨率達到5.5?。LCLS只提供30飛秒的照射時間，短到可以在不同的階段定格水分解過程。

　　之后另外一組研究人員用X射線激光器以慢動作的形式展示了一個光敏性生物分子的快速動態。研究成果公布在Science雜志上。

　　研究人員將PYP蛋白（photoactive yellow protein）作為模式系統，PYP是一種藍光感受蛋白，在特定細菌的光合作用中起作用。PYP蛋白捕獲藍光光子之后，會經過一系列中間結構獲得光子的能量，然后再回到初始狀態。PYP光循環的絕大多數步驟已經被人們研究過了，是驗證新方法的理想模型。為了獲得PYP的動態快照，研究人員制造了微小的PYP晶體，這些晶體的直徑大多小于0.01毫米。他們在LCLS（目前最強的X射線激光器）系統中噴射這些微晶體，并用精確同步的藍光脈沖啟動它們的光循環。LCLS生成了極短極密集的X射線快照，捕捉到了PYP在光循環不同階段的形態改變，分辨率達到了前所未有的0.16納米。隨后研究人員將自己獲得的快照組成視頻，展示了慢動作的PYP光循環。

　　同年，來自英國利茲大學的研究人員詳細描繪了這種技術，他們指出這種新方法采用了clever maths（一種Hadamard轉換），幫助科學家們利用強大的同步輻射光進行結晶或其它技術，從而完成時間分辨晶體學研究。

　　2015年同樣發表在Science雜志上的一篇文章中，一組研究人員又利用超快XFEL脈沖，解析了肌紅蛋白鐵離子光解活性部位血紅素二氧化碳鍵的結構變化。

　　未來一定還會有越來越的相關成果，我們期待這一技術在2016年的發展。