Only Perception: 振動 -- 綠螢光蛋白效率關鍵

2010-02-11

振動 -- 綠螢光蛋白效率關鍵

Vibrations key to efficiency of green fluorescent protein
http://www.physorg.com/news177170607.html

November 11, 2009

UC Berkeley 化學家發現某種水母蛋白質成功的祕密，牠的綠色光輝使牠成為生物學家的寵兒以及 2008 年諾貝爾醫學獎的主題。

研究者的綠螢光蛋白（green fluorescent protein，GFP）研究及其發螢光時所經歷的結構變化成為 11/12 當期 Nature 期刊封面故事。

在生物學研究中 GFP 已取代許多染料，因為它沒有毒性，而且當它附著在基因上並插入某生物體時，能成為明亮、強烈的確認：基因已擊中它的目標了。原本取自於一種會進行生物發光的太平洋水母（譯註：Aequorea victoria），這種蛋白質已出現突變並被改造成吸收與發出不同顏色。

當 GFP 發出螢光時，這些 UCB 化學家利用超短雷射脈衝 -- 20 飛秒（femtoseconds） -- 拍攝快照，以確定它所經歷的結構變化。只有快速、閃光燈般的雷射能在每奈秒內凍結原子振動（畫面） 10 萬次，或相當於每秒一百兆次。

他們的研究不僅闡明 GFP 如何運作，而且也證明新穎、超快速脈衝雷射技術的價值 -- 尤其是一種稱為飛秒激發 Raman 光譜術（femtosecond stimulated Raman spectroscopy）的方法，其拍攝快照的速度足以凍結分子的振動也因而能辨別涉及化學與原子反應的迅速步驟。

這些研究者的目標之一是以這樣的細節來理解這種光吸收與發射過程，使光吸收分子能被重新設計，以便更有效率地在太陽能電池中捕捉日光。

"如果你想要了解某種反應如何發生，你需要在化學鍵改變結構時觀察它，那在數十飛秒內發生，" Richard Mathies 說，UCB 化學教授，同時也是化學學院院長。"利用飛秒雷射與 Raman 光譜術，我們能在 GFP 的受激態中看見質子轉移反應（proton transfer reaction）裡的所有步驟。"

帶正電氫原子 -- 一個裸露的質子 -- 沿著 GFP 反應鏈（reaction chain）的轉移產生了綠色閃光。這些雷射快照顯示，當依偎在蛋白質桶狀物（protein barrel）中的光吸收器 -- 或著發色團（chromophore，色基）吸收進入的藍光光子時，它開始振動，而電子開始在發色團四周擺盪（sloshing），直到它正好與光子排成直線，讓光子經由水分子跳至蛋白質中的鄰近胺基酸。從這裡，它持續進入反應鏈，與帶負電的發色團創造一種發出綠光的狀態。

"許多人研究綠螢光蛋白已有很多年了，並發現在受激態中所進行的質子轉移發出非常有效率的閃光 -- 每 100 個藍光子進入，就會產生 80 個綠光子，" 第一作者 Chong Fang 表示，UCB 化學系的博士後研究。"這項實驗以生動的原子細節證明為何它如此有效率。"

先前研究已證明，在發色團吸收藍光後，它經歷過質子轉移，並發出綠光。在當前研究中，Mathies、Fang 等人能精確解析這種質子轉移的初步狀態、在前後擺盪的發色團中，拍攝發色團骨架與電子雲同時發生的振動搖擺快照。然而，這種搖動震盪也許在幾皮秒（picoseconds）之後停止，那時發色團及其周圍正好與光子排列成直線，使其離開反應鏈，而整個蛋白質發出明亮的綠光 -- 那在「從容不迫」的情況下完成，耗時約 3 奈秒。

"我們不需要搖擺震盪在整個質子轉移過程中持續，我們只需要它使發色團環的位置正確地與反應鏈的其餘部份相對，而那會開始導致綠光閃爍的過程，" Fang 表示。

在過去五年裡，Mathies 等人已使用飛秒激發 Raman 光譜術在大型的、光吸收的分子中研究類似的原子運動，那包括視紫紅質（rhodopsin），眼中的視覺色素；細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin），行光合作用細菌中捕捉光線的色素；以及光敏素（phytochrome），一種可在植物與細菌中找到的感光色素。這種技術能探測一系列的振動 -- 從數十飛秒到 1 皮秒（兆分之一秒）-- 那在化學反應中很重要，不過直到目前為止大部分都難以達到。

"自我從 1976 年抵達 Berkeley 以來，這是我 40 年來想要做的某件事，但我沒有這種能耐，" Mathies 說。"我得要開發這些工具來對付這種具有挑戰性的問題。"

GFP 的飛秒激發 Raman 光譜術涉及以大約 80 飛秒的紫外光脈衝打擊蛋白質分子，那在分子中激起許多不同的振動模式，接著皮秒紅光與飛秒白光的連擊激起 Raman 發射。

發射訊號的光譜告訴研究者分子各個部份的振動模式。如果分子處於某種反應中間，所發射的光會有不同的時間延遲，告訴研究者分子在整個反應期間所經歷的各種步驟。

"現在，我們能得到解析度高達 10-25 飛秒的結構，" Mathies 說。

Mathies 將質子或電子轉移 -- 吸收或發出光線的關鍵事件 -- 與工作者從辦公室回到家中相比，那能涉及任何數量的路線。但先前只有幾皮秒解析度的技術只能提供一幅模糊的圖像，而且通常只有開始與結束這兩點。有了超快的飛秒光譜學，他表示，"你能沿路看見所有步驟，不管工作者下樓梯或走出櫥窗。"

※ 相關報導：

＊ Mapping GFP structure evolution during proton transfer with femtosecond Raman spectroscopy
http://www.nature.com/nature/journal/v462/n7270/abs/nature08527.html