在一項新的研究中，來自瑞士保羅謝勒研究所（PSI）的研究人員破譯了當光線照射到視網膜時首先在眼睛裡發生的分子過程。這些過程只需要幾萬億分之一秒，對人類視力至關重要。相關研究結果於2023年3月22日線上發表在Nature期刊上，論文標題為“Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision”。
它僅涉及我們視網膜中一種蛋白的微觀變化，而且這種變化發生在一個令人難以置信的較小時間範圍內：它是我們對光的感知和視覺能力的第一步。它也是唯一依賴光的步驟。在保羅謝勒研究所的SwissFEL X射線自由電子鐳射器的幫助下，這些作者確定了在視覺感知過程的第一萬億分之一秒之後究竟發生了什麼。
這種分子過程的核心是我們的光受體，即一種稱為視紫紅質（Rhodopsin）的蛋白。在人眼中，它是由專門負責感知光線的感覺細胞—視杆細胞—產生的。固定在視紫紅質中間的是一個小的扭結分子：視黃醛（retinal），即一種維生素A的衍生物。當光線照射到這種蛋白時，視黃醛吸收部分能量。它以閃電般的速度，改變它的三維形態，使眼睛中的視黃醛從“關閉”狀態切換到“開啟”狀態。這引發了一連串的反應，其總體效果是對光線的感知。
結合，但仍然自由
但是，當視黃醛從所謂的11順式形式轉變為全反式形式時，具體會發生什麼？論文共同通訊作者、保羅謝勒研究所生物與化學研究部的科學家Valérie Panneels說，“我們知道視黃醛轉化的起點和最終產物已經有一段時間了，但到目前為止，還沒有人能夠實時觀察到視網膜色素視紫紅質的具體變化情況。”
Panneels將這一過程比作一隻從樹上倒下的貓，但是它的腳不知為何卻安然無恙地著陸在地上。“問題是：貓在墜落過程中採取了什麼狀態，以使自己的腳著地？”
正如這些作者所發現的，“視黃醛貓（retinal cat，即將視黃醛比作貓）”一開始就轉動了它的身體中部。對於Panneels來說，當她意識到發生的其他事情時，一個令人狂喜的時刻到來了：視紫紅質吸收了部分光能，短暫地膨脹了一小部分—“就像我們吸氣時胸部膨脹，但不久後又收縮回去”。
在LCP中生長的牛視紫紅質晶體在暗態時的室溫SFX結構。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05863-6。
在這個“吸氣”階段，視紫紅質暫時失去了與位於其中間的視黃醛的大部分接觸。“儘管視黃醛仍然透過化學鍵與該蛋白的兩端相連，但它現在有了旋轉的空間。”在那一刻，該分子就像一隻被鬆開繩子的狗，可以自由地抖動一下。“不久之後，視紫紅質再次收縮，並將視黃醛牢牢地抓住，只是如今後者以一種不同的更細長的形式存在。以這種方式，視黃醛設法轉動自己，不受抓住它的視紫紅質的損害。”
最快的自然過程之一
視黃醛從11順式扭結形式轉變為全反式拉長形式只需要一皮秒，即一萬億分之一（10-12）秒，使其成為所有自然界中最快的過程之一。
記錄和分析這種快速生物過程的唯一方法是使用像SwissFEL這樣的X射線自由電子鐳射器。論文共同通訊作者、保羅謝勒研究所生物與化學研究部主任Gebhard Schertler說，“SwissFEL使我們能夠詳細地研究人體的基本過程，如視覺。”
回到貓的比喻，這就像用高速攝像機拍攝貓的墜落，但有一個主要區別：SwissFEL攝像機的拍攝速度要快一百萬倍。與大型研究設施的合作也不僅僅是按下快門按鈕那麼簡單。博士生Thomas Gruhl花了數年時間開發了一種能夠產生提供超高解析度資料的高質量視紫紅質晶體的方法。最終只有這些資料才有可能在SwissFEL以及—在SwissFEL建成之前—在日本的X射線自由電子鐳射器SACLA進行必要的測量。
這項實驗再次表明SwissFEL在瑞士研究中的重要作用。Schertler說，“它可能會幫助我們在未來想出更多的解決方案。除此之外，我們還在開發研究通常不被光啟用的蛋白的動態過程的方法。”這些作者使用人工手段使這種分子對光有反應：要麼他們對結合搭檔（binding partner）進行適當的改變，要麼他們將蛋白與結合搭檔在晶體中快速混合，以便利用SwissFEL進行檢查。在任何情況下，所涉及的程式肯定要比簡單地將相機對準一隻從樹上掉下來的貓要複雜得多。
參考資料：
Thomas Gruhl et al. Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05863-6.
來自： 生物谷