科學家為微型「毫微級計算機」繪製藍圖

06-09

科學家們使用地球上最亮的X射線源，為一個微小的構成細胞的「毫微級計算機」繪製了分子藍圖。這項研究進展是自然的壯舉。

科學家們通過使用一種「打了就跑」的結晶學技術，給這種毫微級計算機——二醯甘油激酶——繪製了結構地圖。要想完成這項任務，他們必須明白微型酶履行著多麼重要的細胞責任——要回答五十年來所有那些關於這個「縱聚合」蛋白的相關問題。

激酶是新陳代謝、細胞信號傳輸、蛋白質管理、細胞運輸、分泌腺過程和許多其他保證我們健康的細胞路徑里的關鍵角色。激酶把某些分子里的能量整合運輸到某個基質上，影響它們的行為、反應和能力，以使它們能夠去約束別的分子。

最大的激酶族群是蛋白激酶。蛋白激酶作用於特定的蛋白質，並改變其活性。這些激酶在細胞的信號傳導及其複雜的生命活動中起到了廣泛的作用。其他不同的激酶作用於小分子物質（脂質、糖、氨基酸、核苷等等），或者為了發出信號，或者使它們為代謝中各種生化反應作好準備「激酶」的本意指的是使底物分子「激動」的酶，所以一般指從一個三磷酸核苷轉移磷酸基至受體分子的酶，低物分子通過這個磷酸基的轉移獲得能量而被激活（變得更不穩定），所以很多的激酶需要從ATP轉移磷酸基，激酶有時也可以由AMP及焦磷酸轉移磷酸基，雖然一般來說，AMP和焦磷酸不能稱之為高能化合物，但是「高能」與「低能」是相對的，沒有絕對的標準，與磷酸化酶使用無機磷酸作為磷酸基供體相比，AMP與焦磷酸顯然也是「高能」的。

這次研究的主要對象是二醯甘油激酶，它在細菌細胞壁綜合體里扮演了重要角色。它是一種很小，很完整的薄膜酶，能調和特別複雜的反應：它的油脂基質是斥水性的（被水排斥），分布在細胞膜里，而它的共基質ATP，則完全溶於水。

為什麼這個小東西會困惑人們幾十年，而這次新研究又是怎麼找到答案的呢？

"這個微型的毫微級計算機，不過10nm高，把這兩種不同的基質一起放到了一個薄膜表面上，它們的反應在一個分子構成的精細的水晶結構里被觀看。這是現今為止所知最小的激酶，我們看到它在水晶結構里的構成，五十年來沒法弄明白的這個『縱聚合』蛋白的問題終於找到了答案。"都柏林三一學院薄膜結構和功能生物學教授馬丁·卡弗瑞說。

為了看到這個微型機器在分子層的工作狀況，研究人員使用了地球上最亮的X射線源——斯坦福大學線型加速器中心的X射線自由電子激光。卡弗瑞教授說：「這個設備產生的X射線陣是飛秒長（飛秒相當於一秒的第一萬億的四分之一）。使用這樣的短脈衝，我們才能獲得酶的結構信息。酶會在輻射損傷時會汽化，所以我才把這個過程稱為『打了就跑』。」「這是蛋白質的第一個結構，是一個薄膜內在的酶和細胞內重要的生物催化劑。」

這個微型的激酶研究項目是美國國家衛生研究院資助的亞利桑那州立大學的傳染疾病膜蛋白質研究中心的研究項目之一。該中心致力於解開病毒和細菌蛋白的分子基礎，以保護人體免受病原體攻擊。亞利桑那州立大學的研究團隊一直在研究晶體生長和進樣系統，以及收集和評估數據。

科學家們希望將來能夠讓更多人了解他們的自由電子激光工作能力，給這個了不起的毫微計算機製作「X射線電影」，看看它在真實時間裡的原子空間里怎麼完成化學反應。