研究人员描述了当光线照射到视网膜时眼睛中的第一个分子过程

Paul Scherrer研究所PSI的研究人员破译了当光线照射到视网膜时首先发生在眼睛中的分子过程。这些过程只需要万亿分之一秒的几分之一秒，对人类的视觉至关重要。这项研究现已发表在科学杂志《自然》上。

它只涉及我们视网膜中蛋白质的微观变化，而这种变化发生在非常短的时间内：这是我们光感知和视觉能力的第一步。它也是唯一依赖光的步骤。PSI研究人员在PSI的SwissFEL X射线自由电子激光器的帮助下，准确地确定了视觉感知过程中第一个万亿分之一秒后会发生什么。

作用的核心是我们的光受体，蛋白质视紫红质。在人眼中，它是由感觉细胞产生的，即专门从事光感知的视杆细胞。固定在视紫红质中间的是一个小扭结分子：视网膜，维生素A的衍生物。当光线照射到蛋白质时，视网膜会吸收部分能量。以闪电般的速度，它会改变其三维形式，因此眼睛中的开关从“关闭”变为“打开”。这引发了一连串的反应，其总体效果是对闪光的感知。

捆绑，但自由

但是，当视网膜从所谓的11-cis形式转变为全反式形式时，会发生什么细节?“我们已经知道视网膜转化的起点和最终产物已有一段时间了，但到目前为止，还没有人能够实时观察视色素视紫红质的变化是如何发生的，”PSI生物学和化学研究部的科学家Valérie Panneels说。

Panneels将这个过程比作一只猫先从树上摔下来，但不知何故安然无恙地落在了它的脚上。“问题是：猫在坠落时会采取什么状态，因为它有权站起来?”

正如PSI科学家所发现的那样，“视网膜猫”首先转动身体中间。对于瓦莱丽·潘尼尔斯(Valerie Panneels)来说，“尤里卡时刻”来了，她意识到发生了其他事情：蛋白质吸收部分光能，使少量短暂膨胀——“就像我们的胸部在吸气时膨胀，但不久后又收缩了。

在这个“吸气”阶段，蛋白质暂时失去了与位于中间的视网膜的大部分接触。“虽然视网膜仍然通过化学键连接到蛋白质的末端，但它现在有旋转的空间。在那一刻，分子就像一只松散的皮带上的狗，可以自由地抽搐。

不久之后，蛋白质再次收缩，视网膜牢牢地掌握在手中，只是现在以不同的更细长的形式出现。“通过这种方式，视网膜设法转动自己，不受其所持有的蛋白质的影响。

最快的自然过程之一

视网膜从 11 顺式扭结形式转变为全反式细长形式只需要一皮秒或万亿分之一 (10-12)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这样的X射线自由电子激光器。“SwissFEL使我们能够详细研究人体的基本过程，例如视觉，”PSI生物学和化学研究部负责人Gebhard Schertler说，他与Valérie Panneels一起是该研究的共同主要作者。

回到猫的类比，这就像用高速相机拍摄它的坠落，但有一个主要区别：SwissFEL 相机的拍摄速度快一百万倍。与大型研究机构合作还涉及的不仅仅是按下快门按钮。博士生Thomas Gruhl继续在伦敦结构与分子生物学研究所担任博士后研究员，他花了数年时间开发一种生产能够提供超高分辨率数据的高质量视紫红质晶体的方法。最终，只有这些数据才有可能在SwissFEL进行必要的测量，并且在SwissFEL建成之前，在的X射线自由电子激光SACLA进行必要的测量。

这个实验再次证明了SwissFEL在瑞士研究中的重要作用。“这可能会帮助我们在未来提出更多的解决方案，”Gebhard Schertler说。“除此之外，我们还在开发研究通常不会被光激活的蛋白质动态过程的方法。科学家们使用人工手段使这些分子对光有反应：要么对结合伴侣进行适当的改变，要么将蛋白质与晶体中的结合伴侣混合得如此之快，以至于可以在SwissFEL进行检查。无论如何，所涉及的过程肯定比简单地将相机对准从树上掉下来的猫要复杂得多。

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