蛋白質結構在現代微觀表征技術下已無所遁形，但要↙理解其功能，科學家們須應對更高的挑戰——研究它的動力學。蛋白質動力學是其發揮活ω性的重要基礎，決定各項生命活動的發生發展，然而目前能給出蛋白質動力學時空信息的實驗方法仍很有限。近日，中國工程物理研究院研究生院儲祥薔團隊利用先進ω 的中子散射手段，成功從原子分子振動的角度獲得蛋白質內部運動發來的訊息。該研究結果以Report形式在線發①表在The Innovation。
圖1 圖文摘要
聲子可以存在於蛋白質中嗎？
聲子是固體物ξ 理中用於描述晶格熱振︾動量子化的準粒子，它負責傳播材料內部原子振動的能量，可以說◣是材料內部“聲音”的量子態。傳統觀點認為，聲子一般只存在於具有周期性結」構的固態晶體中，代表原子間相互作用的動力學性質。作為軟物質的生物大∑ 分子蛋白質，其自然形態中並不█存在晶體，但其內部卻含有成千上萬個原子『。處於自然形態的蛋白質，內部會不會△存在類似於原子的晶格振動？能否探測到聲子的激發態？如果可以，我們是否可以通過研究聲子的性質，進而一窺〖蛋白質內部動力學的秘密？
中子散射與氘代蛋白質
多年來，科學家們試圖采用凝聚態物理中常用的實驗手段探索蛋白質中是否存在聲子，例如非彈性X射線散射等【，但是困難重重。主要原因在於X射線會給蛋白質帶來不可逆轉∴的輻照損傷，因而在用X射線測量時，要求照射的時間非常♂短，一般是◥秒量級甚至更快，過長的X射線的照射，會引起蛋白√質失活。但是研究動力學的非ぷ彈性X射線散射的測量時間最少要數小時之久，由此輻※照損傷成為了一個無法繞過的大問題。
與X射線相比，中子的能量可以低很多，用來研究蛋白質等生物大分子能夠做到完全無損。但中子散射在本研究中需要克服的一個■問題是：蛋白質中大量存◤在的氫元素對於中子有巨大的非相幹散射截面。在中子散射過程中，相幹散射和非相幹散射同時存在。因為聲子代表原子的集體運動，只能在相幹◣散射中觀測到，所以在我們的實驗中，氫元素會給我們的測量帶來極大的幹擾。這時︻就需要用到現代中子散射技術應用研究中不可或缺的一門技術——氘代技術。
圖2 實驗中所用的全◎氘代綠色熒光蛋白，左圖為凍幹粉末□ 狀態，右圖為加入重水的△蛋白
氘代蛋白，顧名思義就是將蛋白質中部分或者所有的氫原子＠替換成它的同位素氘（D）。這樣就能有效避開氫元素●帶來的非相幹散射背景的強烈幹擾，得々到樣品中的相幹散射信息。本研究中所用的樣品是由美國橡樹嶺國家實驗室制備的全氘代綠色熒光蛋白（圖2）。 中子散射數據是＠在美國散裂中子源♀SNS的非彈性散射譜儀SEQUOIA上收集的（圖3）。
圖3 美國散裂中子源SNS上的飛行時間中子散射譜儀SEQUOIA （上圖）及其探測器陣列（下圖）。
圖片來源：https://neutrons.ornl.gov/sequoia
如何在不同的時間尺度ㄨ上理解蛋白質動力學？
目前研究蛋白質動力學的手段很▓多，包括實驗和計算，能夠達到毫秒、微秒，甚至到納秒或皮秒的時間尺度。但是在小於皮〇秒或更短的時間尺度上的動力學是什≡麽樣的，此前並沒有實驗可以直接觀察到。在本研究中，結合非彈性中子散射㊣與氘代蛋白技術，直接觀察到了蛋白質中存在類聲子的激發，根據其能量可以推算它的動力學↓時間尺度在皮秒至飛秒量級。
在蛋白質動力學研究中，溫度是最№關鍵的變量之一。通過分析聲子的色散關系隨溫度的變化，即研究聲子能♀量(2~10 meV)與動量(0.5~3 ?-1)的關系，就可以╳得到蛋白質的內部運動在皮秒甚至飛ξ秒量級的動力學信息。SNS的超高峰值流強使★得我們可以在實驗中測得蛋白質中從零下一百多度(150 K)到攝氏零度(273 K)之間十幾個溫度下的聲子色散♂關系。從聲子的∮性質可以進一步推理出描繪蛋白質動力學的能量景觀(energy landscape)如圖4所示呈多層〓級結構，並將它與蛋白質的生物活性及功能聯系起來。
圖4 描述蛋≡白質動力學的能量景觀具有多層級結構
全文詳見：
