物语 | 用中子聆听蛋白质内部的"声音"

科海拾贝

Research Highlights

本期我们介绍的工作是储祥蔷教授发表在The Innovation上的论文Experimental Mapping of Short-wavelength Phonons in Protein。The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者们来自全球29个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外；已被78个国家作者引用。目前有190位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，31位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed等数据库收录。

(doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100199)

论文简介

本研究从物理的角度，通过非弹性中子散射在氘代蛋白质中成功观测到了类声子的振动（能量约为2~10 meV) ，开启了在皮秒至飞秒尺度理解蛋白质动力学并描绘其能量景观的新方法，为蛋白质动力学及其功能关系的研究提供了新思路，开辟了蛋白质动力学研究的新方向。

摘要原文

Phonons are quasi-particles observed as lattice vibrations in periodic materials, which often dampen in the presence of structural perturbations. Nevertheless, phonon-like collective excitations exist in highly complex systems, such as proteins, although the origin of such collective motions has remained elusive. Here we present a picture of temperature and hydration dependence of collective excitations in green fluorescent protein (GFP) obtained by inelastic neutron scattering. Our results provide evidence that such excitations can be used as a measure of flexibility/softness, which are possibly associated with the protein’s activity. Moreover, we show that the hydration water in GFP interferes with the phonon propagation pathway enhancing the structural rigidity and stability of GFP.

(doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100199)

作者信息

储祥蔷，2002和2005年分别于北京大学物理学院获得学士和硕士学位。2010年博士毕业于麻省理工学院核科学与工程系。2010-2012年在美国橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）从事博士后研究工作。2012-2017年在美国韦恩州立大学物理系任助理教授，2017年升为终身副教授。2017年5月回国入职中物院研究生院任研究员，教授。主要研究兴趣包括利用中子散射和X射线散射以及分子动力学模拟研究软物质和生物大分子的结构和动力学性质，以及生物分子和纳米材料的相互作用。

寻幽问径

Scholar Insights

我们有幸采访到了本文通讯作者储祥蔷教授，以了解她的研究思路和研究心得。

您开展这个研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

储祥蔷：蛋白质动力学是其发挥活性的重要基础，然而目前能给出蛋白质动力学时空信息的实验方法仍很有限。另一方面，传统观点认为，声子一般只存在于具有周期性结构的固态晶体中，代表原子间相互作用的动力学性质。作为软物质的生物大分子蛋白质，其自然形态中并不存在晶体，但其内部却含有成千上万个原子。如果可以通过中子散射在处于自然形态的蛋白质内部探测到声子，我们就可以通过研究声子的性质，进而探索蛋白质内部动力学的秘密。

完成这个研究需要采取什么特殊的计算方法/实验手段？

储祥蔷：中子散射和氘代蛋白质技术。中子散射用来研究蛋白质等生物大分子能够做到完全无损。但中子散射在本研究中需要克服的一个问题是：蛋白质中大量存在的氢元素对于中子有巨大的非相干散射截面。在中子散射过程中，相干散射和非相干散射同时存在。因为声子代表原子的集体运动，只能在相干散射中观测到，所以在我们的实验中，氢元素会给我们的测量带来极大的干扰。这时就需要用到氘代蛋白质，就是将蛋白质中部分或者所有的氢原子替换成它的同位素氘（D）。这样就能有效避开氢元素带来的非相干散射背景的强烈干扰，得到样品中的相干散射信息。本研究中所用的样品是由美国橡树岭国家实验室制备的全氘代绿色荧光蛋白。中子散射数据是在美国散裂中子源SNS的非弹性散射谱仪SEQUOIA上收集的。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

储祥蔷：最大的困难是中子散射数据的分析和解读。这篇文章从做实验到最后发表一共花了整整十年时间。中子散射实验是在2011年10月份就完成了，当然之前还花了好几个月制备氘代蛋白质样品，因为这个实验需要1克以上的样品，对于氘代蛋白质来说是非常大的量。但是更大的挑战还在后面。在相关领域工作过的人都知道，其实很多中子散射的数据最后都是没有写成文章发表出来的，因为不知道该如何去分析和解读。尤其是像我们这样没有先例的实验，之前从来没有人尝试过用这么大量的氘代蛋白作为样品去探测声子。所以我们光是数据分析就花了好几年的时间，最终文章中使用的是我们尝试了很多不同的物理模型之后确定的最合适的一个，既有明确的物理意义又能很好地拟合我们所有的数据。但是背后的很多失败与艰辛只有我们自己知道。

您对研究结果满意吗？具体在什么方面取得了突破进展？

储祥蔷：非常满意。首先原始数据就非常漂亮，直接就能看到类声子的信号，这在之前的类似实验中是从来没有过的，如果用X射线或者其他谱仪是看不到这样的信号的。其次我们对于数据的深层次分析与解读工作也完成得很好，能够把蛋白质中的声子信号从大量的背底和非简谐信号中分离出来研究，并得到温度相关的动力学信息。这个工作从idea到完成度都是我迄今为止最满意的。

您的合作者如何看待这个研究的？您认为其他同行会如何看待这个研究？

储祥蔷：我的合作者们基本都来自美国橡树岭国家实验室，包括帮助我们完成中子散射实验的谱仪科学家，还有帮助我们制备氘代蛋白质样品的生物学家。他们都认为这是非常棒的工作，所以尽管我拖了这么多年没发表，他们都一如既往地支持我。其实在这十年间我曾多次把各阶段的结果拿到学术会议上跟同行们进行交流，大家一致认为工作非常漂亮。其间也有其他团队尝试做类似的实验，因为只要申请到束流时间，谁都可以去做中子散射实验，而氘代实验室制备氘代蛋白的技术也已经很成熟了，可以给任何用户提供样品。但是正如我前面所说，实验的设计与物理思想的体现，以及数据的正确分析与解读才是这个工作的关键。我们在这个方面应该是做得最好的。

论文在投审稿过程遇到了什么让您记忆深刻的事情？

储祥蔷：其实这篇文章刚开始也曾尝试过投顶刊，因为毕竟是很漂亮的开创性工作。但是后来发现这种交叉学科性质的比较冷门的方向并不是那么容易发表到顶刊的，尤其是在被分配到不是这个领域的编辑、又没有大牛背书的情况下。后来中国物理学会的老师向我推荐The Innovation,我也意识到其实发顶刊的初衷是为了让更多的人可以看到我们的工作，而不是可能带来的名利。The Innovation给我们提供的“被看见”的平台并不比顶刊差，也许还会更好。所幸其他作者都跟我的想法一致，他们都是很纯粹的科研工作者，也并不缺顶刊文章，于是我很容易就说服他们来投中国的期刊了。

在审稿的过程中大部分审稿人都会提出很多有建设性的意见，帮助我们提高文章的质量，在此非常感谢他们！当然也会有审稿人说，之前有人发表过类似的实验，你们已经不是第一个了。正如我前面所说，在这十年间，谁都有可能去做这个实验，并发表一些简单处理过的原始数据。但是谁第一个做出来实验或者发表并不重要，关键是实验的设计，以及对实验结果的正确分析与解读。正如查德威克在中子发现的过程中并不是第一个做出来实验的人，但是他是第一个正确解读实验结果并发现中子的，所以最终是他获得了诺贝尔奖。

该研究会对相关领域做出什么贡献或影响？

储祥蔷：该研究是从物理的角度开启了在皮秒至飞秒尺度理解蛋白质动力学并描绘其能量景观的新方法，为蛋白质动力学及其功能关系的研究提供了新思路，开辟了蛋白质动力学研究的新方向。目前中子散射在生物方面的应用还属于比较冷门的小众领域，做结构的可能会稍微多一些，但是研究动力学的难度很大，做的人非常少。在国内估计只有我在做。所以我把这个工作发表在中国的期刊上，也是想借此推动一下相关领域在国内的发展，让更多的人可以看到原来中子散射应用到生物领域可以做出这么有趣的工作。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

储祥蔷：当然会。现在的工作只是一个开始。之前因为国内没有用于研究生物软物质体系的准弹或者非弹谱仪，我们只能去国外做动力学相关的实验。现在中国三大中子源，包括中国散裂中子源（CSNS），中国绵阳研究堆（CMRR），和中国先进研究堆（CARR）已经建成，特别是CSNS上面会建多台专门用于动力学研究的准弹/非弹谱仪，CMRR上也即将建成国内首台自旋回波谱仪。另外松山湖氘代设施（SLDF）也已投入使用，可以为我们的中子散射实验提供氘代蛋白质样品。期待未来在中国有更多人可以投身中子散射在生命科学相关的研究，我们一起来将这个领域发扬光大。

您认为在您的研究生涯中，谁（哪几位）曾给予了您很大的支持与帮助？

储祥蔷：首先要感谢我的博士导师，MIT的陈守信教授，是他带领我走进了中子散射这个领域，并将之作为奋斗至今的事业。很遗憾他在今年六月去世了，没能看到这篇文章的发表。其次是Eugene Mamontov和Hugh O’Neill，他们一位是谱仪科学家，一位是氘代生物学家，是这篇文章的合作者，也是我在橡树岭国家实验室曾经的合作导师。他们在我的科研生涯中一直无条件地支持任何我想做的工作，为我开拓中子散射在生物领域的应用提供了非常大的帮助。最后特别要感谢一下这篇文章的第一作者Utsab Shrestha。他是我在美国韦恩州立大学的博士生，文中大部分的数据处理工作，也就是最艰难的部分都是由他来完成的。在这漫长的十年中，他博士毕业又做完博后，现在公司做研发工作。这些年来即使他已经毕业很久了，仍然为了这个工作跟我一起努力到现在。能有这样一个坚持初心的学生，实属我科研生涯中的一大幸事。

设计：阿泽

排版：由理

美编：农民

责编：理趣

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