万亿分之一秒！最快的自然过程、视觉产生的第一个事件被拍到

·当光线进入眼睛，视网膜相关细胞中的感光色素视紫红质的辅因子视黄醛吸收光子并利用其能量，从一种形式异构化到另一个形式，并由此导致视蛋白发生一系列的构象变化。尽管经过几十年的尝试，但没有人直接实时观察到这种异构化反应。直到2023年3月22日，格布哈特·舍特勒等人报告了第一个直接可视的哺乳动物视紫红质中视黄醛的异构化。

自然界中最迅即的过程之一、人眼感知光线的第一步、视觉产生的第一个分子事件——万亿分之一秒（1皮秒，1ps，10^-12秒）后发生的事情，首次被科学家通过前沿的晶体学实验，以“快照”（snapshots）的形式完整拍下。

由此，光是如何激活眼睛内的光敏色素视紫红质的，其分子机制被揭开。

3月22日，上述研究成果在线发表在国际学术刊物《自然》（Nature）上，论文的标题《超快结构变化导致了产生视觉的第一个分子事件》（Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision）。

上述论文的通讯作者是瑞士保罗·谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）生物与化学系主任、教授格布哈特·舍特勒（Gebhard Schertler ）和该研究所科学家瓦莱丽·潘尼尔斯（Valerie Panneels）。

瑞士保罗·谢尔研究所生物与化学系主任、教授格布哈特·舍特勒（Gebhard Schertler）与视黄醛。当光线进入我们的眼睛时，视黄醛会改变其形状，从而启动视觉过程。

很多动物都依靠视觉来适应环境，躲避捕食者。在脊椎动物的眼睛中，光被一种七次跨越视杆细胞的细胞膜的蛋白视紫红质转化为电信号，随后，大脑处理电信号以生成虚拟的图像。

视紫红质由视蛋白（opsin）与一个化学分子——视黄醛共同组成。

当光线照射到视网膜上时，视黄醛会吸收部分能量。然后它以闪电般的速度改变其三维结构，开关从“关闭”变为“打开”，触发一系列反应，对光线产生感知。

视黄醛被称为上述视觉产生过程的“总开关”。它响应光，并激活视紫红质。在化学成分上，它的是维生素A的衍生物。

在最新发表的论文中，格布哈特·舍特勒等人通过超快时间分辨率的晶体学实验，用“拍摄”到的数据还原出的图像，展示了这个总开关是如何打开又关闭的，最终揭示了视紫红质是如何被激活的。

束缚，但又是自由的

当视黄醛这个“总开关”从“关闭”变为“打开”，也就是说，从11-顺式形式转变为全反式形式时，具体会发生什么？

瓦莱丽·潘尼尔斯将上述过程比作一只猫从树上掉下来，不知何故，它安然着陆了。

她说，问题是，猫在摔下来时，采取了什么状态，导致它最终用脚安然着地？

换句话说，掉落的猫在空中自由落体时，是如何旋转的？

研究人员发现，视黄醛这只“猫”首先转动其身体的中部。

瓦莱丽·潘尼尔斯解释说，蛋白质吸收了部分光能，短暂地膨胀了一小部分。“就像我们吸气时，胸部膨胀。 ”

在这个“呼吸”阶段，蛋白质暂时失去了与视黄醛的大部分接触，令后者有了旋转的空间。

但不久之后，蛋白质再次收缩，并牢牢抓住视黄醛。

研究人员计算称，与11-顺式视黄醛构象相比，1皮秒时扭曲的全反式视黄醛储存了超过36kcal/mol的能量。这与视紫红质到深视紫红质（Batho-Rh）转变测量的实验值——32 kcal/mol非常一致。相比之下，480nm光子的能量是59.6kcal/mol。

上述1皮秒内发生的事件，被认为是自然界中最迅即的过程之一。

该论文称，在被光激活后，扭曲的视黄醛在1皮秒的时间延迟后，已经脱离了其与结合袋的众多相互作用的一半，并且，多余的光子能量通过各向异性蛋白质呼吸运动释放。

该论文称，室温下处于非激活状态的视紫红质的高分辨率 SFX（串行飞秒晶体学）结构揭示了其蛋白质内水介导的全部氢键网络。在被光激活1皮秒后，视紫红质已“到达”的亚稳态中间体深视紫红质（Batho-Rh）。在这个激活的早期阶段，扭曲的视黄醛从其结合袋的许多相互作用中“解脱”出来，造成的结构扰动作为“瞬态各向异性呼吸运动”，被辐射出去，并在100皮秒内几乎完全衰减。蛋白质内的其他细微和瞬时结构重排出现在GPCR（G蛋白偶联受体）激活的重要区域。

研究人员认为，该蛋白质通过GPCR早期激活结构路径来分散过量的初始能量。该研究揭示了视紫红质中的超快的能量耗散，是通过GPCR激活路径中的保守残基进行的，这也为研究A类GPCR大家族的早期激活事件奠定了实验基础。

如何拍清楚半空中的猫

当视紫红质暴露在光线下时，辅因子视黄醛吸收光子并利用其能量，从一种形式异构化到另一个形式，并由此导致视蛋白发生一系列的构象变化。尽管经过几十年的尝试，但没有人直接实时观察到这种异构化反应。

1982年，科学家报道了视紫红质的第一个氨基酸序列，来自于牛眼睛中的视紫红质。动物视紫红质是 G 蛋白偶联受体的一个特殊子集。G 蛋白偶联受体是介导细胞对外部刺激反应的一大类蛋白质。

1993年，人们第一次“窥见”动物视紫红质的三维结构。

牛视紫红质在非激活状态下的室温SFX三维结构示意图。

但直到2000年，才第一次得到其2.8埃（十分之一纳米，10^–10米，100亿分之1米）的高分辨率结构。它由七个跨膜的α-螺旋组成，其氨基末端在细胞膜外侧，其羧基末端位于细胞内。

2023年3月22日，格布哈特·舍特勒等人最新发表的论文，报告了第一个直接可视的哺乳动物视紫红质中视黄醛的异构化。他们使用了一种名为时间分辨的串行飞秒X射线晶体学（TR-SFX）的方法，对视紫红质进行光激活并“拍照”。

西湖大学博士Blair发表的文章《时间分辨X射线晶体学》一文介绍，在串行飞秒晶体学（SFX）这种方法中，X射线衍射数据是从一系列微晶中收集的，这些微晶的最大尺寸通常小于10μm，然后将来自数千个微晶的X射线衍射数据合并成一个完整的数据集。

中国科学院上海应用物理研究所工作人员何建华、徐春艳在学术期刊2018年第7期《物理》上发表的文章《X射线自由电子激光晶体学在结构生物学中的应用》写道，伴随着高强度X光，晶体的辐射损伤就是一个极为严重的问题。但晶体的损伤实际上是有一个过程的，比如，其分子结构可以在2fs时间内保持不变，而超过10 fs后，分子结构才会发生很大的变化。因此，以合适的飞秒时间量级的高强度X光脉冲去照射晶体，就可以在生物大分子被辐射损伤破坏之前得到结构信息，在损伤前探测（diffraction before destruction）。

此外，该文章称，串行飞秒晶体学（SFX）方法可以在室温下进行衍射实验，室温条件更便于操作，也更接近蛋白质的天然的生理环境。而传统的同步辐射蛋白质晶体衍射一般都需要将样品冷冻处理以增加其抗辐照的能力，但同时也增加了样品的镶嵌度。低温将蛋白冷冻在特定的构象下，但是这不一定能代表所有分子结构动态范围。SFX方法利用一个几微米大小的喷头，将晶体样品连同缓冲液一起喷射出来。

格布哈特·舍特勒称，目前，他们还在开发用于研究不会被光激活的蛋白质动态过程的方法。“无论如何，所涉及的程序肯定比简单地将相机对准从树上掉下来的猫要复杂得多。”