中紅外頻率梳桌面系統(tǒng) 助力蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)探測

NIST的桌面頻率梳，可用于識別空氣中的水分子。屏幕上方的黃色曲線表示實驗室中穿過空氣的中紅外激光電場。屏幕下方橙色曲線顯示了對應(yīng)的光譜，圖中向下的峰值表示被水吸收的頻率。

據(jù)報道，美國科羅拉多州博爾德小鎮(zhèn)（Boulder，Colorado）國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的Scott Diddams與國際團(tuán)隊合作，使用相對簡單的激光裝置搭建出獨特的頻率梳系統(tǒng)，該裝置可覆蓋整個中紅外頻譜范圍，小到足以構(gòu)建為桌面系統(tǒng)，用來探測復(fù)雜蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和組成。

像蛋白質(zhì)這樣的大型生物分子具有極其復(fù)雜的折疊結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得研究它們非常困難。蛋白質(zhì)通常由數(shù)千個原子組成，它們常常在中紅外頻率振動和旋轉(zhuǎn)。因此利用中紅外光探測蛋白質(zhì)分子，然后測量其特征吸收光譜，就可以在蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及功能等方面獲得重大的發(fā)現(xiàn)。

但是，由于在目前的激光光譜學(xué)系統(tǒng)中，中紅外區(qū)域缺乏足夠?qū)挼念l帶寬度來同時研究蛋白質(zhì)共振的全范圍，因此這類研究相當(dāng)困難。此外，與可見光和近紅外光相比，準(zhǔn)確地調(diào)諧中紅外光源并實現(xiàn)準(zhǔn)確探測更為困難。

規(guī)律的頻率間隔是關(guān)鍵

Diddams的團(tuán)隊通過利用兩支鎖相光纖激光器所產(chǎn)生的中紅外頻率梳來實現(xiàn)探測蛋白質(zhì)分子，從而解決了以上那些問題。這種方式可產(chǎn)生一系列短而明亮的脈沖，該脈沖在整個中紅外頻率范圍內(nèi)以規(guī)律的頻率間隔出現(xiàn)，其頻譜類似梳齒。中紅外光在與分子相互作用后，會被光電二極管探測器以0.003 cm-1的光譜分辨率探測出來?？傮w來說，該裝置尺寸非常小，結(jié)構(gòu)非常簡單，可以直接放到桌面上。

Diddams與其同事在NIST的單克隆抗體參考蛋白上測試了他們的系統(tǒng)。這種蛋白分子由超過2萬個原子組成，可用于評估藥物治療的質(zhì)量。通過利用頻率梳觀察分子的吸收光譜，研究團(tuán)隊測量了酰胺鍵的特征信號。這些酰胺鍵常被生物化學(xué)家用來確定蛋白質(zhì)的折疊、展開和聚集機(jī)制。研究人員還利用該頻率梳探測出蛋白質(zhì)內(nèi)部的片狀結(jié)構(gòu)；此次探測驗證了前人提出的研究結(jié)果：蛋白質(zhì)中的化學(xué)基團(tuán)是以平面排列連接。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，他們搭建的頻率梳系統(tǒng)可與紅外原子力顯微鏡等其他技術(shù)相結(jié)合，來創(chuàng)造一種可以確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的桌面系統(tǒng)，這將可與規(guī)模更大的同步加速器設(shè)備相媲美。隨著研究的推進(jìn)，他們的技術(shù)還可用來在分子振動和旋轉(zhuǎn)中存儲信息，這將為量子計算提供新的技術(shù)支持。