一个蛋白质，被X射线闪光定格在飞行中

要了解蛋白质如何工作，生物学家希望能看着它改变形状。这意味着要用波长极短的辐射，从许多角度观察单个分子。问题在于，电子和X射线这两种唯一足够强的探针，也会损伤它们正在成像的分子。冷冻电子显微镜绕开了这个问题：把成千上万个分子冻在冰里，再对许多充满噪声的图像取平均。

每发生一次散射，X射线沉积的能量大约是电子的一千倍。但这里有一个漏洞，称为**“先衍射后毁灭”：用X射线自由电子激光**发出的仅持续几飞秒的脉冲，散射光的图样在分子来得及炸开之前就被记录下来。分子不需要冷冻，也不需要支撑——可以在飞行中被捕捉。到目前为止，这种方法已在大型病毒上取得成功。而用硬X射线对单个蛋白质进行三维成像，一直遥不可及。

真空中的蚯蚓血液

一个由汉堡DESY的Paul Lourdu Xavier和Henry Chapman领导、联合欧洲XFEL以及全球数十家机构的大型国际团队，选择了血绿蛋白（erythrocruorin）：一种巨型血红蛋白，从大约一百条蚯蚓的血液中纯化而来。它的质量为3.6兆道尔顿，形状高度对称，是两个叠在一起、中间有孔的环。

这些蛋白质被喷成细小的液滴，经中和后聚焦成一束窄束，以约每秒100米的速度穿过真空室。研究人员加入氦气，以减少残留气体产生的背景辉光。横穿这束蛋白质的，是来自德国申讷菲尔德欧洲XFEL的脉冲：能量为6千电子伏特的X射线光子，被压缩到180×220纳米的光斑上，每个脉冲持续约25飞秒。

每次闪光都会使分子中约四分之三的原子电离——但在随之而来的爆炸来得及使图像模糊之前，闪光就已经结束了。

2.7亿帧换一个形状

• 在21小时里，探测器记录了2.7亿帧图像。
• 其中只有188557帧——0.07%——含有衍射图样，大多来自单个蛋白质。
• 最好的50000帧按相近的观察角度被分为144组，得到了分辨率约15埃的平面投影图像。
• 团队从26908个精选图样中重建了三维衍射，然后保留其中最干净的1248个，计算出分辨率约20埃的蛋白质电子三维图。它显示出中央的孔，以及根据已知结构所预期的六重对称性。

在飞行中收缩的蛋白质

所有三维重建结果都比已知的晶体结构更紧凑，尤其是沿短轴方向。团队将其追溯到真空本身：离开水之后，蛋白质会收缩。对整个分子的计算机模拟结果与此一致——它在第一纳秒内收缩2.5%，之后收缩变慢。分子之间的这种差异，可能正是三维图像比二维图像更模糊的原因。

作者列出了下一步工作：保护蛋白质免于这种塌缩，办法包括使用更小的液滴、缩短飞行路程或快速冷冻，或者把它们置于超薄液膜中输送；以及更稳定、更短、更强的X射线脉冲。模拟显示，随着图像越来越清晰，辐射损伤的影响会越来越大。

迈向单分子电影

20埃距离看清原子还很远。但作者称，这是一个追求了近三十年的目标：不需要晶体、不需要冷冻，用硬X射线对一个孤立的单个蛋白质进行三维成像。更远的前景在于时间——触发一个蛋白质，然后一次一次闪光地捕捉它运动中的样子。