飛秒級分子電影Action
科學家結合雷射與晶體的新技術，記錄藥物反應或光合作用的關鍵數飛秒，協助我們了解分子如何進行交互作用。
撰文／弗洛姆（Petra Fromme）、史賓斯（John C. H. Spence）
翻譯／甘錫安
美國加州帕洛亞托附近山丘的地下深處，科學家在實驗室中匆匆來去，為一連串「爆破」做最後的準備。他們計畫爆破蛋白質晶體，揭露自然界中不為人知的奧秘：植物的光合作用如何把光轉換成化學能。一旦揭開了這個奧秘，人類將朝用之不竭的潔淨能源邁進一步。
2009年12月，史丹佛直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室裡，一群睡眠不足的研究人員和學生已經持續工作了好幾天，準備運用全世界能量最強的X射線雷射進行這項實驗；這座直線型加速器同調光源（LCLS）可把電子加速到接近光速。一組人埋首調整噴頭，把蛋白質晶體噴入X射線束；另一組則在噴頭中裝入第一光系統（photosystem I）晶體，這種蛋白質複合體是植物進行光合作用的關鍵。
在三公里長的加速器隧道末端，晶體開始噴入高強度雷射。但這些晶體爆開前，已經由一項新開發的技術拍下其身影。現在這項技術將大幅改變我們對最小尺度生物學的理解，因為目前我們可以把數飛秒（1飛秒是10-15秒）的一連串快速影像拼接成影片。
物理學家費曼（Richard Feynman）說過：「所有生物活動都可以想成原子在搖動和擺動。」但以往我們無法直接看見生物內部原子和分子的搖動或擺動。序列飛秒晶體學（serial femtosecond crystallography, SFX）技術可讓我們觀察分子的迅疾變化，以判斷藥物如何影響受感染的細胞，並且窺看化學反應如何把能量轉換成不同的型式。
世界各地的研究團隊已經開始運用SFX，深入探查實驗藥物如何調節血壓，以開發更有效的降血壓藥物。SFX也揭露了非洲昏睡症破壞紅血球酵素結構的過程，這種由寄生蟲導致的疾病可能致人於死。再者，SFX還讓人類首度目睹光合作用的初期階段，觀察水如何分解成氫和氧。
2009年在那間地下實驗室中，X射線脈衝開始摧毀我們精心製作的晶體，關鍵時刻到了。許多科學家說SFX不可能成功，拒絕核准經費資助。但是還記得當我們看見美麗的X射線散射影像在電腦螢幕顯現，實驗室裡歡聲雷動、不絕於耳，證明X射線科學的新領域已然誕生。
捕捉飛秒瞬間
SFX問世前，科學家在探測特定化學結構方面已經獲得驚人的進展，但仍然難以實際觀察到最精細複雜的生物結構。舉例來說，已過世的1999年諾貝爾化學獎得主齊威爾（Ahmed H. Zewail），於1980年代發明一套方法，藉由超快可見光雷射脈衝觀察化學反應中的原子運動。然而這種光的波長太長，難以分辨蛋白質結構最微小的細節。近年來，顯微技術大幅進展，已可呈現解析度與原子相當的蛋白質和病毒影像，但拍攝速度不夠快，無法捕捉到光合作用這類迅疾的反應。
我們決定使用X射線，因為它的高速拍攝和解析度可記錄進行中的生物反應。我們的研究關鍵在於，如何在X射線摧毀分子的前一刻，藉由X射線捕捉分子影像。科學家以往進行這類研究，必須辛苦製作蛋白質和其他分子的大型晶體，以得知晶體內部原子的位置；接著運用X射線照射晶體，記錄X射線的散射或繞射圖形。分子在晶體內部有固定的排列方式，因此科學家可以透過X射線的散射方式，推測出原子的位置和種類。這種方法稱為X射線晶體學（x-ray crystallography），我們開發的SFX也是運用相同的原理來觀察原子在結構中的位置，但拍攝速度快上許多。
然而，X射線最後摧毀了我們想觀察的分子。一般大多認為，X射線雷射是把高能量X射線集中成高強度光束，因此狀況只會更糟。單單高強度雷射就能把鋼鐵燒出一個洞，許多人可能認為脆弱的生物分子一定無法承受。我們必須在X射線傷害晶體前的幾飛秒內搶先捕捉到影像。為了說明得更清楚，一飛秒和一秒之間的差異相當於一秒和3200萬年。
SFX技術的關鍵在於，從分子受X射線雷射脈衝照射到電子因X射線能量而脫離原子的片刻。電子脫離後，帶正電的原子核將互相推斥，分子膨脹進而爆裂。
整個過程的運作機制是：首先我們使分子交互作用，形成微小的晶體。接著利用極短暫的高強度X射線束脈衝照射晶體，在光束能量破壞分子之前，讓一部份X射線剛好足以從晶體散射。最後，以一具偵測器捕捉散射的X射線，所記錄的圖形會呈現蛋白質中原子的位置和種類。透過一連串蛋白質晶體以不同角度噴入X射線束的影像，我們就可重建蛋白質的立體結構。然後，匯整化學反應中不同時間點的影像，並仿照電影膠片把一張張影像依序排列。
