在一项新的研究中，来自瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的研究人员破译了当光线照射到视网膜时首先在眼睛里发生的分子过程。这些过程---只需要几万亿分之一秒---对人类视力至关重要。相关研究结果于2023年3月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision”。
它仅涉及我们视网膜中一种蛋白的微观变化，而且这种变化发生在一个令人难以置信的较小时间范围内：它是我们对光的感知和视觉能力的第一步。它也是唯一依赖光的步骤。在保罗谢勒研究所的SwissFEL X射线自由电子激光器的帮助下，这些作者确定了在视觉感知过程的第一万亿分之一秒之后究竟发生了什么。
这种分子过程的核心是我们的光受体，即一种称为视紫红质（Rhodopsin）的蛋白。在人眼中，它是由专门负责感知光线的感觉细胞---视杆细胞---产生的。固定在视紫红质中间的是一个小的扭结分子：视黄醛（retinal），即一种维生素A的衍生物。当光线照射到这种蛋白时，视黄醛吸收部分能量。它以闪电般的速度，改变它的三维形态，使眼睛中的视黄醛从“关闭”状态切换到“开启”状态。这引发了一连串的反应，其总体效果是对光线的感知。
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结合，但仍然自由
但是，当视黄醛从所谓的11顺式形式转变为全反式形式时，具体会发生什么？论文共同通讯作者、保罗谢勒研究所生物与化学研究部的科学家Valérie Panneels说，“我们知道视黄醛转化的起点和最终产物已经有一段时间了，但到目前为止，还没有人能够实时观察到视网膜色素视紫红质的具体变化情况。”
Panneels将这一过程比作一只从树上倒下的猫，但是它的脚不知为何却安然无恙地着陆在地上。“问题是：猫在坠落过程中采取了什么状态，以使自己的脚着地？”
正如这些作者所发现的，“视黄醛猫（retinal cat，即将视黄醛比作猫）”一开始就转动了它的身体中部。对于Panneels来说，当她意识到发生的其他事情时，一个令人狂喜的时刻到来了：视紫红质吸收了部分光能，短暂地膨胀了一小部分---“就像我们吸气时胸部膨胀，但不久后又收缩回去”。
在LCP中生长的牛视紫红质晶体在暗态时的室温SFX结构。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05863-6。
在这个“吸气”阶段，视紫红质暂时失去了与位于其中间的视黄醛的大部分接触。“尽管视黄醛仍然通过化学键与该蛋白的两端相连，但它现在有了旋转的空间。”在那一刻，该分子就像一只被松开绳子的狗，可以自由地抖动一下。“不久之后，视紫红质再次收缩，并将视黄醛牢牢地抓住，只是如今后者以一种不同的更细长的形式存在。以这种方式，视黄醛设法转动自己，不受抓住它的视紫红质的损害。”
最快的自然过程之一
视黄醛从11顺式扭结形式转变为全反式拉长形式只需要一皮秒，即一万亿分之一（10-12）秒，使其成为所有自然界中最快的过程之一。
记录和分析这种快速生物过程的唯一方法是使用像SwissFEL这样的X射线自由电子激光器。论文共同通讯作者、保罗谢勒研究所生物与化学研究部主任Gebhard Schertler说，“SwissFEL使我们能够详细地研究人体的基本过程，如视觉。”
回到猫的比喻，这就像用高速摄像机拍摄猫的坠落，但有一个主要区别：SwissFEL摄像机的拍摄速度要快一百万倍。与大型研究设施的合作也不仅仅是按下快门按钮那么简单。博士生Thomas Gruhl花了数年时间开发了一种能够产生提供超高分辨率数据的高质量视紫红质晶体的方法。最终只有这些数据才有可能在SwissFEL以及---在SwissFEL建成之前---在日本的X射线自由电子激光器SACLA进行必要的测量。
这项实验再次表明SwissFEL在瑞士研究中的重要作用。Schertler说，“它可能会帮助我们在未来想出更多的解决方案。除此之外，我们还在开发研究通常不被光激活的蛋白的动态过程的方法。”这些作者使用人工手段使这种分子对光有反应：要么他们对结合搭档（binding partner）进行适当的改变，要么他们将蛋白与结合搭档在晶体中快速混合，以便利用SwissFEL进行检查。在任何情况下，所涉及的程序肯定要比简单地将相机对准一只从树上掉下来的猫要复杂得多。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Thomas Gruhl et al. Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05863-6.
