The Innovation | 用中子聆听蛋白质内部的“声音”

导 读

蛋白质结构在现代微观表征技术下已无所遁形，但要理解其功能，科学家们须应对更高的挑战——研究它的动力学。蛋白质动力学是其发挥活性的重要基础，决定各项生命活动的发生发展，然而目前能给出蛋白质动力学时空信息的实验方法仍很有限。近日，中国工程物理研究院研究生院储祥蔷团队利用先进的中子散射手段，成功从原子分子振动的角度获得蛋白质内部运动发来的讯息。该研究结果以Report形式在线发表在The Innovation。

图1 图文摘要

声子可以存在于蛋白质中吗？

声子是固体物理中用于描述晶格热振动量子化的准粒子，它负责传播材料内部原子振动的能量，可以说是材料内部“声音”的量子态。传统观点认为，声子一般只存在于具有周期性结构的固态晶体中，代表原子间相互作用的动力学性质。作为软物质的生物大分子蛋白质，其自然形态中并不存在晶体，但其内部却含有成千上万个原子。处于自然形态的蛋白质，内部会不会存在类似于原子的晶格振动？能否探测到声子的激发态？如果可以，我们是否可以通过研究声子的性质，进而一窥蛋白质内部动力学的秘密？

中子散射与氘代蛋白质

多年来，科学家们试图采用凝聚态物理中常用的实验手段探索蛋白质中是否存在声子，例如非弹性X射线散射等，但是困难重重。主要原因在于X射线会给蛋白质带来不可逆转的辐照损伤，因而在用X射线测量时，要求照射的时间非常短，一般是秒量级甚至更快，过长的X射线的照射，会引起蛋白质失活。但是研究动力学的非弹性X射线散射的测量时间最少要数小时之久，由此辐照损伤成为了一个无法绕过的大问题。

与X射线相比，中子的能量可以低很多，用来研究蛋白质等生物大分子能够做到完全无损。但中子散射在本研究中需要克服的一个问题是：蛋白质中大量存在的氢元素对于中子有巨大的非相干散射截面。在中子散射过程中，相干散射和非相干散射同时存在。因为声子代表原子的集体运动，只能在相干散射中观测到，所以在我们的实验中，氢元素会给我们的测量带来极大的干扰。这时就需要用到现代中子散射技术应用研究中不可或缺的一门技术——氘代技术。

图2 实验中所用的全氘代绿色荧光蛋白，左图为冻干粉末状态，右图为加入重水的蛋白

氘代蛋白，顾名思义就是将蛋白质中部分或者所有的氢原子替换成它的同位素氘（D）。这样就能有效避开氢元素带来的非相干散射背景的强烈干扰，得到样品中的相干散射信息。本研究中所用的样品是由美国橡树岭国家实验室制备的全氘代绿色荧光蛋白（图2）。 中子散射数据是在美国散裂中子源SNS的非弹性散射谱仪SEQUOIA上收集的（图3）。

图3 美国散裂中子源SNS上的飞行时间中子散射谱仪SEQUOIA （上图）及其探测器阵列（下图）。

图片来源：https://neutrons.ornl.gov/sequoia

如何在不同的时间尺度上理解蛋白质动力学？

目前研究蛋白质动力学的手段很多，包括实验和计算，能够达到毫秒、微秒，甚至到纳秒或皮秒的时间尺度。但是在小于皮秒或更短的时间尺度上的动力学是什么样的，此前并没有实验可以直接观察到。在本研究中，结合非弹性中子散射与氘代蛋白技术，直接观察到了蛋白质中存在类声子的激发（图4），根据其能量可以推算它的动力学时间尺度在皮秒至飞秒量级。

图4 利用非弹性中子散射在蛋白质中观测到类声子振动随温度的变化

在蛋白质动力学研究中，温度是最关键的变量之一。通过分析声子的色散关系随温度的变化，即研究声子能量(2~10 meV)与动量(0.5~3 Å^-1)的关系，就可以得到蛋白质的内部运动在皮秒甚至飞秒量级的动力学信息。SNS的超高峰值流强使得我们可以在实验中测得蛋白质中从零下一百多度(150 K)到摄氏零度(273 K)之间十几个温度下的声子色散关系。从声子的性质可以进一步推理出描绘蛋白质动力学的能量景观(energy landscape)如图5所示呈多层级结构，并将它与蛋白质的生物活性及功能联系起来。

图5 描述蛋白质动力学的能量景观具有多层级结构

总结与展望  

本研究从物理的角度，通过非弹性中子散射在氘代蛋白质中成功观测到了类声子的振动（能量约为2~10 meV) ，开启了在皮秒至飞秒尺度理解蛋白质动力学并描绘其能量景观的新方法，为蛋白质动力学及其功能关系的研究提供了新思路，开辟了蛋白质动力学研究的新方向。如今，中国三大中子源，包括中国散裂中子源（CSNS），中国绵阳研究堆（CMRR），和中国先进研究堆（CARR）已经建成，松山湖氘代设施（SLDF）也已投入使用，期待未来中子散射在生命科学相关研究中大放异彩。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00124-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Report发表的“Experimental Mapping of Short-wavelength Phonons in Protein” (投稿: 2021-05-18；接收: 2021-12-14；在线刊出: 2021-12-17)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100199

引用格式：Shrestha U., Mamontov E., O’Neill H., et al. (2021). Experimental Mapping of Short-wavelength Phonons in Protein. The Innovation. 3(1),100199.

作者简介

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储祥蔷，中国工程物理研究院研究生院教授。2002和2005年分别于北京大学物理学院获得学士和硕士学位。2010年博士毕业于麻省理工学院核科学与工程系。2010-2012年在美国橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）从事博士后研究工作。2012-2017年在美国韦恩州立大学物理系任助理教授，2017年升为终身副教授。2017年5月回国入职中物院研究生院。

Utsab Shrestha，美国纽约Roivant Discovery公司高级研究员。2017年在美国韦恩州立大学获得物理学博士学位，2017至2021年在橡树岭国家实验室分子生物物理中心担任博士后研究员。

Eugene Mamontov，美国散裂中子源背散射谱仪首席科学家。1999年在宾夕法尼亚大学获得材料科学与工程博士学位。之后在美国宾夕法尼亚大学担任博士后研究员，2003年在美国国家标准局中子研究中心和马里兰大学担任助理研究员。2006年起在橡树岭国家实验室担任谱仪科学家。

Alexander Kolesnikov，美国橡树岭国家实验室谱仪科学家。在俄罗斯科学院固体物理研究所获得物理学和数学博士学位。曾任美国阿贡国家实验室IPNS的谱仪科学家;曼彻斯特理工大学和英国索尔福德大学研究员;德国IFF, KFA Juelich洪堡研究员;俄罗斯科学院固体物理研究所高级科学家。

Hugh O'Neill，美国橡树岭国家实验室结构分子生物学中心(CSMB)主任，生物标记与散射研究组组长。1992年获得爱尔兰国立大学生物化学和化学学士学位，1997年获得生物化学博士学位。

张 秋，美国散裂中子源SNS生物实验室科研支持技术员，同时也是Shull Wollan中心HFIR用户实验室和生物物理表征实验室的实验室空间主管(LSM)。威斯康星大学密尔沃基分校微生物学硕士，湖北大学生物化学与分子生物学硕士。

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