Split-Second Reactions

1000兆分の1秒の反応を見る 連続フェムト秒結晶構造解析

By Petra Fromme /John C. H. Spence P. フロム /J.C.H. スペンス
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Burrowed deep under the foothills near Palo Alto, Calif., scientists scurried through an underground laboratory, making final preparations for a series of explosions. Their plan: blow up tiny crystals of proteins that could reveal one of nature’s best-kept secrets—how plant photosynthesis turns light into chemical energy. The potential payoff: a step toward unlimited clean power.  カリフォルニア州パロアルト近くの丘陵地帯,山肌を貫くトンネルの地下深くにある研究施設で,科学者たちは一連の爆破実験に向けた最終準備に追われていた。目的は,タンパク質の小さな結晶を爆破し,自然が隠し続けてきた秘密を暴くこと。植物の光合成反応が光をどのように化学エネルギーに変えているのかを暴くことだ。この秘密をつかめば,無尽蔵のクリーンエネルギーを得る第一歩となるだろう。
It was December 2009, and a sleep-deprived team of researchers and students at SLAC National Accelerator Laboratory had been working nonstop for days to set up this experiment at the world’s most powerful x-ray laser, the Linac Coherent Light Source (LCLS), which accelerates electrons to nearly the speed of light. One group feverishly adjusted injectors that would shoot crystals of proteins into the x-ray beam. Another locked and loaded the injector with fresh crystals of a protein complex called photosystem I, which is key to photosynthesis.  時は2009年12月,米国立SLAC加速器研究所の研究者と学生たちはこの実験のために,連日ろくに眠りもせずに,世界最強のX線レーザー装置の調整を続けてきた。リニアックコヒーレント光源(LCLS)というこの装置は,電子を光速近くに加速して強力なX線レーザーを発生する。あるグループはタンパク質の結晶をX線ビーム中に撃ち出す入射器の調整に大わらわ。別のグループは最近作られた「光化学系Ⅰ複合体」という複雑なタンパク質の結晶を入射器に装填した。光合成のカギを握るタンパク質だ。
At the end of the two-mile accelerator tunnel, the crystals began their march into the intense laser light. But before each of them exploded, its snapshot was taken with a newly developed scientific technique. Today that method promises to reshape our understanding of biology on the tiniest scale because we can now assemble a rapid sequence of such images—shot in femtoseconds, or millionths of a billionth of a second—into movies.  長さ約3kmのトンネルの端で,これらの結晶は強力なレーザービームのなかに相次いで送り出された。だがレーザー光を受けて粉々に爆発する寸前に,新開発の技法によってタンパク質分子のスナップ写真が撮影される。この方法は最小スケールにおける生物学に関する私たちの理解を一変させるだろう。フェムト秒(フェムトは1000兆分の1)という短時間で次々に撮影した画像をつなぎ合わせて,分子が変化する様子を動画の形で見ることが可能になるからだ。
Physicist Richard Feynman once said, “Everything that living things do can be understood in terms of the jigglings and wigglings of atoms.” But never before have we been able to directly see the wiggling of atoms and molecules within living things at this speed. Our method, called serial femtosecond crystallography (SFX), lets us watch high-speed molecular dances that determine how medicines affect diseased cells and how chemical reactions convert energy to different forms.  物理学者のファインマン(Richard Feynman)はかつて,「生物の営みはすべて,原子の小刻みな動きとして理解できる」と述べた。だが,生物のなかで小刻みに動いている原子や分子を直接見ることはこれまで不可能だった。私たちの方法は「連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)」と呼ばれ,この高速の分子ダンスを目にできる。そうした分子の動きは,医薬品が病気の細胞にどう作用するかや,化学反応がどのようにエネルギーを別の形態に変換するかなどを決めている。
Already research teams around the world have used SFX to reveal fine details of how an experimental drug regulates blood pressure—paving the way to better hypertension medications. SFX has also shown the structure of the enzyme that destroys red blood cells in sleeping sickness, a fatal disease caused by parasites. And it has yielded the first look at the initial steps during photosynthesis that split water into hydrogen and oxygen.  すでに世界中の研究チームがSFXを用いて,ある実験医薬が血圧を調整する詳細な仕組みを明らかにし,より優れた高血圧薬への道を開いた。また,寄生性原虫が引き起こす致命的な「アフリカ睡眠病」ではある種の酵素が赤血球を破壊するが,その酵素の分子構造を明らかにするのにもこの技術が役立った。さらに,光合成の初期段階で水を水素と酸素に分解する反応過程も初めて観察された。