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用“分子电影”讲科学故事
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/497927.shtm
近日，上海科技大学物质科学与技术学院教授刘伟民团队与合作者一起，采用四种超快激光光谱技术及量子化学计算方法，在飞秒(10-15秒)到纳秒(10-9秒)时间尺度内，以“分子电影”形式展示了光激发状态下，一种红色荧光蛋白（mKeima）中发光分子的超快结构变化过程。相关研究以卷首插图形式发表于《德国应用化学》。
近两年，刘伟民课题组利用超快激光光谱技术获得多项亮眼成果。该团队关于氧化石墨烯二维材料和新生儿黄疸病胆红素光疗相关超快动力学现象的两项研究，分别以封面文章发表于《物理化学杂志C》和《物理化学快报》。
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红色荧光蛋白中发光分子被紫光激发的动态过程。受访者供图
“看清”光反应过程
“简单说，我们是用飞秒超快激光光谱技术，观察光反应过程中分子结构的动态变化。比如，分子结构扭转、化学键结合或断裂等。”刘伟民告诉《中国科学报》，“光化学反应速度很快，‘看清’并理解飞秒时域中反应的物理化学变化，就可能控制反应进程，提高反应效率。”
刘伟民团队主要关注生物蛋白的光反应变化。例如，光合作用中植物怎样捕获光能，并将其转化为化学能；人眼中视紫红质（一种检测光子的膜蛋白质，它参与视觉事件）中光功能性分子有什么样的结构动力学特质，如何进行光化学反应等。在发表于《德国应用化学》杂志的研究中，团队用“分子电影”形式，实时展示了光激发状态下mKeima红色荧光蛋白中发光分子的超快结构变化。
“在自然情况下，mKeima荧光蛋白存在顺式和反式两种不同构象的发光分子，我们在实验中观测到,蛋白中反式发光分子产生波长620纳米的红色荧光。而顺式发光分子被激发后，通过快速结构扭转耗散掉激发的能量，只在波长520纳米处产生极弱的荧光发射。”该团队成员之一、上海科技大学博士后王子钰介绍说，“基于上述实验，我们提出了优化蛋白结构，提高红色荧光效率的新思路。”
在关于新生儿黄疸病胆红素光疗超快动力学现象的研究中，刘伟民团队用超快光谱技术，解析了胆红素的环化反应过程。
胆红素由血红蛋白中血红素代谢产生，是一种有神经毒性的人体代谢废物。胆红素分子由内部6个氢键形成紧凑、稳定的结构，因此它不溶于水，很难通过代谢排出。刚出生的幼儿肝功能尚不健全，很难将胆红素排出体外，当血液中胆红素积累过多，就导致黄疸病发生。临床治疗中，人们发现用波长460纳米的蓝光照射可以起到治疗作用。尽管人们对这种光疗操作已非常熟悉，却不清楚其中的反应机理，一些传统研究甚至得出相互矛盾的结论。
研究团队对黄疸病光疗过程中胆红素的超快反应动力学进行深入研究，发现光照以后，胆红素分子结构发生了一系列结构变化，导致胆红素中部分氢键断裂，这一过程被称为“构象异构”；胆红素经过“构象异构”形成一种可溶性胆红素异构体，从而被代谢排出，这完美阐释了胆红素光化学反应的原理。
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光致还原氧化石墨烯机理。受访者供图
制作真正的“分子电影”
“分子电影只是一个比喻，我们可以理解为一种高速影像。”刘伟民说，“因为反应过程很快，因此要用一些技术手段将其放缓，从而‘发现它、看清它、理解它’。”
在刘伟民团队的实验室，有四五种飞秒超快光谱设备。实验中，研究人员用一束光激发化学反应，然后捕捉反应分子对于不同光学信号的反应，得到结构和动力学信息。
“四五种飞秒超快光谱设备，可以获得四五种不同的反应相关信息。这相当于四五个不同的机位拍摄，从不同角度获得分子反应动力学的密码，然后综合解码，绘制出分子电影。”刘伟民认为，“获得信息（拍摄）相对容易些，解码（用一些专门软件拟合、分析得到信息）工作是其中的难点。”
2018年，该团队即开始关于红色荧光蛋白的研究。他们用了半年时间，采集到实验数据，但后面解译和分析这些数据足足花了3年时间。对这些数据进行解码后，用量子化学计算模拟动力学变化，检验飞秒超快光谱实验和计算结果是否一致，然后去绘制“分子电影”。
为将抽象的研究具象化呈现出来，刘伟民很早就鼓励学生学习动画制作，目的是将分子在光反应过程中的结构变化细节、化学变化过程制作成可视化的影像，成为真正意义上的“分子电影”。
“比如，我们通过动画电影，清晰呈现了胆红素环化反应的过程。”刘伟民说，“我们最初目的，就是要把研究的抽象概念、新的信息、看不见的光分子变化等，通过信息解码，再用动画的形式绘制出来。这也是我们实验室最有趣的一部分。”
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黄疸光疗中胆红素分子原初光反应机制。受访者供图
期待“高清大片”
刘伟民认为，所有的科学实验、理论假设都需要新的技术去验证。该团队制作的“分子电影”，仍有很多细节期待将来更先进的装备和技术来验证。比如，上海科技大学大科学中心主持在建的硬X射线自由电子激光装置，将来可以“拍摄”出更清晰的“分子电影”，拍出真正的“高清分子电影”。
在刘伟民团队100平方米的实验室里，有四五台超快光谱装置。这些装置能方便、快捷地获得相关实验数据。但他认为，目前传统的超快激光光谱技术只能“看”到化学反应过程中比较模糊的结构变化信息，实际上还有更多细节的变化无法精确判断。这些重要的信息需要有更先进的探测设备去记录。
“就像标清电影和4K、8K高清电影的区别，现在我们‘拍’的只是普通‘分子电影’，如果用硬X射线衍射会得到更细节的信息，‘拍’出高清电影。”刘伟民说，“飞秒超快光谱的优势是设备简单、操作方便、经济高效。我们可以先用它做实验预研，得到相关的结构变化信息后，再利用大科学装置进行细节验证。”
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