(圖片說明：此圖為光合細菌中一個蛋白質在光線作用下改變形狀的過程，該實驗是在SLAC國家加速器實驗室完成的。圖右為結晶化蛋白質——光敏黃蛋白(PYP)，光敏黃蛋白沿著SLAC的直線性連續加速器光源(LCLS)X射線激光束(左下角火焰般光束)噴射。結晶化蛋白經來自圖左的藍光照射后已發生形變。X射線激光擊中結晶化蛋白質所形成的衍射圖使科學家得以重現蛋白質的3D結構，并探究光線照射是如何改變其形狀。圖片來源：SLAC National Accelerator Laboratory)
研究人員將PYP光敏黃蛋白(photoactive yellow protein)作為模式系統。PYP是一種藍光感受蛋白，在某些細菌中是光合作用的一部分。其作用相當于細菌的眼睛，用來感受藍光。PYP蛋白捕獲藍光光子之后，會經過一系列中間結構獲得光子的能量，然后再回到初始狀態。PYP光循環的絕大多數步驟已經被人們研究過了，因而它是驗證新方法的理想模型。
為了獲得PYP的動態快照，研究人員制造了微小的PYP晶體，這些晶體的直徑大多小于0.01毫米。他們將這些微晶體噴射到SLAC的直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source，LCLS是目前最強的X射線激光器)系統中，利用同步的藍色激光脈沖啟動它們的光循環過程。由于LCLS的X射線閃光極短且極密集，研究人員通過X射線衍射模式的快照，捕捉到了PYP在光循環不同時段的形狀變化。
這些快照的分辨率達到了0.16納米，是迄今為止用X射線激光得到的最清晰的生物分子圖像。1納米等于百萬分之一毫米，而最小的原子——氫原子的直徑也就約0.1納米。
并用精確同步的藍光脈沖啟動它們的光循環。LCLS生成了極短極密集的X射線快照，捕捉到了PYP在光循環不同階段的形態改變，分辨率達到了前所未有的0.16納米。
隨后研究人員將自己獲得的快照組成視頻，展示了慢動作的PYP光循環。相關研究成果發表在12月5日的《科學》上(Science, 2014, 346, 6214, 1242-1246, DOI: 10.1126/science.1259357)。
這項研究再現了PYP光循環的所有已知過程，驗證了這個新技術的可靠性，同時還揭示了PYP光循環的更多細節。這一技術的時間分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活動，這是以前無法想像的。
“這是一個真正的突破，”該論文作者之一、德國電子同步加速器研究所(DESY)自由電子激光科學中心的教授Henry Chapman強調說，“我們現在可以在原子水平上對動態過程進行時間分辨研究。”
與其他方法相比，X射線激光器在研究超快分子動態時有著更多的優勢。該技術能生成世界上最明亮的X射線，提供飛秒級別的時間分辨率。X射線激光器成像時使用新鮮樣本，樣本中不會積累輻射傷害，而且特別適合研究非常小的晶體。實際上，一些很難結晶的生物分子只能用X射線激光器進行研究。另外，晶體小也有助于分子的同步，使人們能更靈敏地檢測到分子發生的改變。
總之，X射線激光器能夠揭示其它方法無法企及的分子動態結構。科學家下一步計劃將使用超速快照闡明PYP光循環中那些以往技術難以觀察到的快速過程。
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