觀察蛋白質在驅動維持生命所需的化學反應中的運動是現代生物學面臨的重大挑戰之一。近年來，X射線自由電子激光器（XFEL）開始應對這一挑戰，它能夠捕捉分子在反應過程中形狀變化的超快快照——有效地創建了分子慢動作電影。

但這項技術也有代價：這些實驗通常會消耗大量的珍貴蛋白質樣本，使許多研究無法進行。

如今，亞利桑那州立大學的研究人員及其國際同行，包括來自西班牙國家研究委員會（Consejo Superior de Investigaciones Científicas）的科學家，開發出一種裝置，能夠在保證高質量結構數據的同時，將樣品消耗量減少高達97%。這種名為微流控液滴注入器的裝置，能夠將蛋白質晶體以微小的、精確定時的液滴包形式，而非連續液流的形式，輸送到XFEL光束中。

該研究成果發表在《通訊化學》雜志上。

這項技術能夠實時展示藥物與其蛋白質靶標的相互作用，從而加速藥物研發，并幫助工程師為工業和生物技術設計更有效的酶。它還有助于更深入地了解疾病，研究難以生產的稀有蛋白質，并在不造成過多樣品浪費的情況下，充分發揮下一代X射線激光設備的潛力。

“實時觀察蛋白質的反應非常強大，但利用X射線晶體衍射技術揭示蛋白質動態行為所需的樣品量一直是個主要限制，”這項新研究的第一作者亞歷山德拉·羅斯說道。“我們的液滴方法大大降低了這一負擔，這令人振奮，因為現在更多的實驗室可以研究以前成本過高或不切實際的動態問題。”

羅斯教授是亞利桑那州立大學生物設計應用結構發現中心和分子科學學院的研究員。她與亞利桑那州立大學的同事和國際研究人員組成團隊，其中包括來自西班牙國家研究委員會（CSIC）的合作者。

原子尺度上的運動凍結

XFEL（超自由電子激光器）通過發射持續時間僅為飛秒（一千萬億分之一秒）的超短脈沖，有效地凍結了運動。在這極短的時間內，光本身的傳播距離甚至比一根頭發絲的寬度還要短。

在這些實驗中，首先將蛋白質培養成微觀晶體，然后將其暴露于XFEL脈沖下。這會產生衍射圖樣，研究人員利用這些圖樣重建分子在原子尺度上的作用快照。

在傳統的X射線自由電子激光（XFEL）實驗中，蛋白質晶體被連續噴射到X射線束的路徑上。然而，只有一小部分物質會被X射線脈沖擊中，這意味著大部分蛋白質都被浪費掉了。而新的系統則生成一系列微小的液滴，每個液滴都攜帶少量樣品。這些液滴的噴射與激光脈沖的定時同步，因此樣品只會在需要時到達。

研究人員利用歐洲X射線自由電子激光器，采用時間分辨串行飛秒晶體學技術，該技術能夠捕捉蛋白質在反應過程中形狀的變化。借助這項強大的技術，他們研究了一種名為NQO1的人類酶，該酶在細胞解毒和抵抗氧化應激方面發揮著重要作用。