臺大研究團隊解碼隱花色素 拍攝全球首支高解析度3D分子影片

TR-SFX 實驗的樣品準備圖，由於隱花色素對藍光敏感，所有實驗必須在黑暗中或紅光下進行。(臺大提供／林縉明臺北傳真)

臺灣大學化學系助理教授Manuel Maestre-Reyna領銜的國際研究團隊，成功拍攝全球首支隱花色素的高解析度3D分子影片，國際團隊成員在 SACLA 實驗區的合照，包含臺大團隊Manuel Maestre-Reyna（右下一）及楊凱鈞、王柏勳、細川雄平、林韋廷及中研院王柏勳等。（臺大提供／林縉明臺北傳真）

臺灣大學化學系助理教授Manuel Maestre-Reyna領銜的國際研究團隊，成功拍攝全球首支隱花色素的高解析度3D分子影片，首次揭開光感應蛋白「隱花色素(cryptochrome)」在生物體內如何精確感應並回應光線的分子機制，此研究不僅揭露自然界中以光爲觸發的分子動態，也對晝夜節律失調症的研究提供重要分子基礎，研究成果刊登於國際頂尖期刊《Science Advances》。

隱花色素是普遍存在於動植物中的感光蛋白，能調控生物的晝夜節律，協助與自然的日夜循環同步。過去研究指出，隱花色素捕捉光線後會產生非常細微的化學結構變化，但細胞最終還是能夠偵測得到。Manuel Maestre-Reyna 教授研究團隊透過原子解析度的「超慢動作電影」解開之間的神秘機制，此研究闡明隱花色素蛋白如何將細微的光化學訊號放大，進而引發劇烈的結構變化，使細胞得以偵測。

團隊應用時間解析序列飛秒晶體學 (TR-SFX) 技術，成功記錄隱花色素受光後19個連續的分子動態影像，時間跨度從10奈秒至233毫秒不等。光照後初期，隱花色素中的感光基團 FAD 吸收藍光，從蛋白質本體擷取電子，產生自由基對 (FAD•–／Y373•)，進而活化3個關鍵區域：FAD 結合位點、短暫質子轉移通道 (TPP) 以及鄰近Y373的螺旋α22。

研究發現，光照後數奈秒內，FAD 結合位點的微小結構變化穩定自由基，使蛋白質內部的其他分子結構有足夠的時間進行結構或化學上的變化。隨後，短暫質子轉移通道 (TPP) 在微秒內開始作用，轉移質子至 FAD•–，延長自由基存在時間並標記光感應的早期信號。約100毫秒後，靠近螺旋α22的自由基 (Y373•) 導致螺旋結構展開，形成明顯的光感應訊號，代表隱花色素成功偵測光線。

研究中的自由基對 (radical pairs) 並非只存在於隱花色素的光感應過程中，其他生物過程，如細胞能量轉換、植物光合作用，以及某些生物磁場感應感能力，也會產生類似的自由基對結構，因此隱花色素的光感應機制在自然界也扮演重要的角色。

這項研究獲得國家科學及技術委員會及臺大高等教育深耕計劃，以及日本、德國和美國研究經費支持。研究團隊成員來自臺灣、西班牙、德國、日本與法國。實驗在世界上僅有5座的 X 光自由電子雷射之一–日本兵庫縣的 SPring-8 Angstrom Compact X-ray Free Electron Laser（SACLA）中完成此項實驗。