更智能的生物学观察方式：微流控液滴注射器大幅减少样品消耗

观察蛋白质在驱动维持生命所需的化学反应中的运动是现代生物学面临的重大挑战之一。近年来，X射线自由电子激光器（XFEL）开始应对这一挑战，它能够捕捉分子在反应过程中形状变化的超快快照——有效地创建了分子慢动作电影。

但这项技术也有代价：这些实验通常会消耗大量的珍贵蛋白质样本，使许多研究无法进行。

如今，亚利桑那州立大学的研究人员及其国际同行，包括来自西班牙国家研究委员会（Consejo Superior de Investigaciones Científicas）的科学家，开发出一种装置，能够在保证高质量结构数据的同时，将样品消耗量减少高达97%。这种名为微流控液滴注入器的装置，能够将蛋白质晶体以微小的、精确定时的液滴包形式，而非连续液流的形式，输送到XFEL光束中。

该研究成果发表在《通讯化学》杂志上。

这项技术能够实时展示药物与其蛋白质靶标的相互作用，从而加速药物研发，并帮助工程师为工业和生物技术设计更有效的酶。它还有助于更深入地了解疾病，研究难以生产的稀有蛋白质，并在不造成过多样品浪费的情况下，充分发挥下一代X射线激光设备的潜力。

“实时观察蛋白质的反应非常强大，但利用X射线晶体衍射技术揭示蛋白质动态行为所需的样品量一直是个主要限制，”这项新研究的第一作者亚历山德拉·罗斯说道。“我们的液滴方法大大降低了这一负担，这令人振奋，因为现在更多的实验室可以研究以前成本过高或不切实际的动态问题。”

罗斯教授是亚利桑那州立大学生物设计应用结构发现中心和分子科学学院的研究员。她与亚利桑那州立大学的同事和国际研究人员组成团队，其中包括来自西班牙国家研究委员会（CSIC）的合作者。

原子尺度上的运动冻结

XFEL（超自由电子激光器）通过发射持续时间仅为飞秒（一千万亿分之一秒）的超短脉冲，有效地冻结了运动。在这极短的时间内，光本身的传播距离甚至比一根头发丝的宽度还要短。

在这些实验中，首先将蛋白质培养成微观晶体，然后将其暴露于XFEL脉冲下。这会产生衍射图样，研究人员利用这些图样重建分子在原子尺度上的作用快照。

在传统的X射线自由电子激光（XFEL）实验中，蛋白质晶体被连续喷射到X射线束的路径上。然而，只有一小部分物质会被X射线脉冲击中，这意味着大部分蛋白质都被浪费掉了。而新的系统则生成一系列微小的液滴，每个液滴都携带少量样品。这些液滴的喷射与激光脉冲的定时同步，因此样品只会在需要时到达。

研究人员利用欧洲X射线自由电子激光器，采用时间分辨串行飞秒晶体学技术，该技术能够捕捉蛋白质在反应过程中形状的变化。借助这项强大的技术，他们研究了一种名为NQO1的人类酶，该酶在细胞解毒和抵抗氧化应激方面发挥着重要作用。