Nature：视觉是如何开始的

　　

   

   

PSI研究人员Valérie Panneels纯化了红色蛋白质视紫红质，以便稍后在SwissFEL X-ray中对其进行检查。

Paul Scherrer研究所PSI的研究人员已经破译了当光线照射到视网膜时首先在眼睛中发生的分子过程。这一过程只需要万亿分之一秒，对人类的视力至关重要。这项研究现已发表在科学杂志《Nature》上。

它只涉及到我们视网膜上一种蛋白质的微小变化，而这种变化发生在一个令人难以置信的小时间框架内:这是我们对光的感知和视觉能力的第一步。这也是唯一依赖光的步骤。PSI的研究人员在PSI的SwissFEL X-ray自由电子激光的帮助下，已经确定了视觉感知过程中第一万亿分之一秒后会发生什么。

活动的核心是我们的光受体，蛋白质视紫红质。在人眼中，它是由感觉细胞(杆状细胞)产生的，杆状细胞专门负责感知光线。固定在视紫红质中间的是一个扭结的小分子:视黄醛，一种维生素A的衍生物。当光线照射到蛋白质上时，视黄醛会吸收一部分能量。然后，它以闪电般的速度改变其三维形态，因此眼睛里的开关从“关”变成“开”。这引发了一连串的反应，其整体效果是对闪光的感知。

但是当视黄醛从11-cis转变为全反式时，具体发生了什么?PSI生物和化学研究部的科学家Valérie Panneels说:“我们已经知道视黄醛转变的起点和最终产物有一段时间了，但到目前为止，还没有人能够实时观察到视觉色素视紫红质的变化是如何发生的。”

Panneels将这一过程比作一只猫从树上掉了下来，但不知怎么地，它的脚毫发无损地落了下来。“问题是:猫在摔倒的过程中会采取什么样的状态，使自己能够直立着地?”

正如PSI的科学家们发现的那样，“视黄醛猫”一开始会转动身体的中部。对于Valerie Panneels来说，当她意识到发生了其他事情时，“顿悟时刻”到来了:蛋白质吸收了部分光能，短暂地膨胀了一小部分——“就像我们吸气时胸部扩张，但很快又收缩了。”

在这个“吸气”阶段，蛋白质暂时失去了与位于中间的视黄醛的大部分接触。“虽然视黄醛仍然通过化学键连接到末端的蛋白质，但它现在有旋转的空间。”在那一刻，这种分子就像一条拴着宽松皮带的狗，可以自由地抽动。不久之后，蛋白质再次收缩，并将视黄醛牢牢地控制在自己手中，只是现在是一种不同的更细长的形式。“通过这种方式，视黄醛能够自行转动，而不受其所在蛋白质的损害。”这是最快的自然过程之一。视黄醛从11-顺式扭结形态（11-cis）转变为全反式拉长形态只需要1皮秒，或万亿分之一(10^-12年)秒，使其成为自然界中最快的过程之一。

记录和分析这种快速生物过程的唯一方法是使用像SwissFEL X-ray自由电子激光。“SwissFEL X-ray使我们能够详细研究人体的基本过程，如视觉，”PSI生物和化学研究部负责人Gebhard Schertler说。

回到猫的类比，这就像用高速摄像机拍摄它的下落，但有一个主要区别:瑞士fel摄像机的拍摄速度要快十亿倍。与大型研究机构合作不仅仅是按下快门那么简单。博士生Thomas Gruhl后来在伦敦结构与分子生物学研究所(Institute for Structural and Molecular Biology)担任博士后研究员，他花了数年时间开发一种生产高质量视紫红质晶体的方法，这种晶体能够传输超高分辨率的数据。

这一实验再次显示了SwissFEL X-ray研究中的重要作用。Gebhard Schertler说:“这可能会帮助我们在未来想出更多的解决方案。除此之外，我们还在开发研究蛋白质动态过程的方法，这些蛋白质通常不会被光激活。”科学家们使用人工手段使这些分子对光产生反应:要么对结合伙伴进行适当的改变，要么将蛋白质与晶体中的结合伙伴快速混合，以便SwissFEL X-ray进行检测。无论如何，拍摄过程肯定比简单地把相机对准一只从树上掉下来的猫要复杂得多。

Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision