Vật lý cực nhanh áp dụng cho sinh học cấu trúc cho thấy vũ điệu phức tạp của "sự gắn kết" phân tử với độ rõ ràng chưa từng có. Hiểu cách các phân tử phản ứng với các kích thích như ánh sáng, chẳng hạn như trong quá trình quang hợp, là nền tảng của sinh học. Các nhà khoa học đang nỗ lực khám phá cách thức những thay đổi này hoạt động trong nhiều lĩnh vực và bằng cách kết hợp hai lĩnh vực này lại với nhau, các nhà nghiên cứu đang mở đường cho một kỷ nguyên mới trong việc tìm hiểu các phản ứng phân tử của protein quan trọng đối với sự sống.
Một nhóm nghiên cứu quốc tế lớn do Giáo sư Jasper van Thor từ Khoa Khoa học Đời sống tại Đại học Imperial dẫn đầu gần đây đã báo cáo kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Hóa học Tự nhiên.
Tinh thể học là một kỹ thuật mạnh mẽ trong sinh học cấu trúc giúp chụp "ảnh chụp nhanh" về cách sắp xếp các phân tử. Sau nhiều thí nghiệm quy mô lớn và nhiều năm nghiên cứu lý thuyết, nhóm nghiên cứu mới đã kết hợp kỹ thuật này với một kỹ thuật khác để lập bản đồ dao động của cấu hình điện tử và hạt nhân của phân tử, được gọi là quang phổ.
Nhóm nghiên cứu đã trình diễn công nghệ mới tại các cơ sở laser tia X mạnh mẽ trên khắp thế giới, cho thấy rằng khi các phân tử trong protein mà họ nghiên cứu bị kích thích về mặt quang học, những chuyển động ban đầu của chúng là kết quả của "sự kết hợp". Điều này cho thấy rằng đây là một hiệu ứng rung động chứ không phải là sự chuyển động tiếp theo của các bộ phận chức năng của phản ứng sinh học.
Sự khác biệt quan trọng này, lần đầu tiên được thể hiện bằng thực nghiệm, nêu bật cách vật lý quang phổ có thể làm sáng tỏ các phương pháp tinh thể học cổ điển của sinh học cấu trúc.
Giáo sư Van Tol cho biết: "Mọi quá trình duy trì sự sống đều được thực hiện bởi protein, nhưng để hiểu cách các phân tử phức tạp này thực hiện công việc của chúng, cần phải hiểu sự sắp xếp các nguyên tử của chúng và cách cấu trúc này thay đổi trong các phản ứng. Sử dụng phương pháp quang phổ, giờ đây chúng ta có thể giải quyết cấu trúc tinh thể của nó bằng" Chuyển động phân tử cực nhanh là một phần của cái gọi là quá trình kết hợp có thể nhìn thấy trực tiếp dưới dạng hình ảnh. Giờ đây chúng ta có các công cụ để hiểu và thậm chí kiểm soát động lực học phân tử ở quy mô thời gian cực nhanh, gần đạt đến độ phân giải nguyên tử. Chúng tôi hy vọng rằng bằng cách chia sẻ các chi tiết phương pháp luận của kỹ thuật mới này, chúng tôi sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học cấu trúc giải quyết theo thời gian cũng như quang phổ laser cực nhanh khám phá cấu trúc tinh thể của các quá trình mạch lạc." Các công nghệ yêu cầu sử dụng Thiết bị Laser điện tử tự do tia X (XFEL), bao gồm Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS) ở Hoa Kỳ, Laser điện tử tự do nhỏ gọn SPring-8 Angstrom (SACLA) ở Nhật Bản, PAL-XFEL ở Hàn Quốc và gần đây nhất là XFEL châu Âu ở Hamburg. 2009, khai thác và tìm hiểu chuyển động của các protein phản ứng ở thang thời gian femto giây (một phần tỷ giây), được gọi là hóa học femto giây. Sau khi kích thích bằng xung laser, tia X được sử dụng để chụp "ảnh chụp nhanh" cấu trúc. các nhà nghiên cứu vẫn cần phải giải quyết một câu hỏi quan trọng: "chuyển động" phân tử nhỏ bé trên thang thời gian femto giây bắt nguồn trực tiếp từ đâu sau xung ánh sáng laser đầu tiên? Nghiên cứu trước đây đã giả định rằng tất cả các chuyển động đều tương ứng với các phản ứng sinh học, tức là các chuyển động chức năng của chúng. Nhưng khi sử dụng phương pháp mới, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra trong các thí nghiệm rằng điều này không phải như vậy.
Để đi đến kết luận này, họ đã tạo ra "điều khiển kết hợp" - định hình ánh sáng laser để điều khiển chuyển động của protein theo cách có thể dự đoán được. Sau thành công ban đầu tại LCLS của Stanford vào năm 2018, để kiểm tra và xác thực phương pháp này, họ đã tiến hành tổng cộng sáu thí nghiệm tại các cơ sở XFEL trên khắp thế giới, mỗi lần đều thành lập các nhóm lớn và hình thành các hoạt động hợp tác quốc tế. Sau đó, họ kết hợp những dữ liệu thực nghiệm này với các phương pháp lý thuyết được sửa đổi từ hóa học giọt để có thể áp dụng cho dữ liệu tinh thể học tia X thay vì dữ liệu quang phổ.
Kết luận là các chuyển động cực nhanh được đo chính xác trên thang đo thời gian picometer và femto giây không thuộc về các phản ứng sinh học mà thuộc về sự kết hợp rung động của trạng thái cơ bản còn lại. Điều này có nghĩa là các phân tử “còn sót lại” sau xung laser femto giây chiếm ưu thế trong chuyển động đo được sau đó, nhưng chỉ trong cái gọi là thời gian kết hợp rung động.
Giáo sư Van Saul cho biết: "Chúng tôi kết luận rằng trong các thí nghiệm của mình, ngay cả khi không bao gồm điều khiển kết hợp, các phép đo phân giải theo thời gian thông thường thực sự bị chi phối bởi các chuyển động từ trạng thái cơ bản 'chất phản ứng' tối không liên quan đến các phản ứng sinh học do ánh sáng gây ra. Thay vào đó, những chuyển động này không liên quan đến những chuyển động được đo bằng quang phổ rung động thông thường. Chuyển động tương ứng có ý nghĩa rất khác nhưng không kém phần quan trọng. Điều này thực tế đã được dự đoán dựa trên lý thuyết trước đó hoạt động được, nhưng hiện đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Điều này sẽ có tác động lớn đến lĩnh vực sinh học cấu trúc được giải quyết theo thời gian cũng như quang phổ cực nhanh, vì chúng tôi đã phát triển và cung cấp các công cụ để phân tích chuyển động cực nhanh ở quy mô thời gian femtosecond "
.