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X射线源PETRA III分析:一颗鸡蛋从生到熟发生了什么?

X射线源 X射线光子 辐射剂量 粒子加速器
发布:2021-04-02 11:09:21     来源:生物通

一群坚持使用高精端设备研究煮鸡蛋的科学家们揭示了蛋清中的蛋白质是如何展开并相互交联的。这种方法不仅对食品工业有好处,对蛋白质研究的广泛领域也有好处。

 图片:加热后,原本透明的蛋清中的蛋白质形成了一个紧密网状的不透明网络。

成功应用X射线光子相关光谱为研究生物分子的动力学开辟了一条新途径。

一组科学家一直在使用DESY的X射线源PETRA III来分析烹饪鸡蛋时发生的结构变化。这项工作揭示了鸡蛋白中的蛋白质如何在加热时展开并相互交联形成固体结构。他们的创新方法可能对食品工业以及蛋白质分析的广泛研究领域感兴趣。由蒂宾根大学的Frank Schreiber和锡根大学的Christian Gutt领导的两个小组与DESY和European XFEL的科学家合作,在“物理评论快报”杂志的两篇文章中报道了这项研究。

鸡蛋是最通用的食品成分之一。它们可以采取凝胶或泡沫的形式,它们可以是相对固体的,也可以作为乳液的基础。在约80摄氏度时,蛋清变得固体和不透明。这是因为蛋清中的蛋白质形成网络结构。研究蛋清的确切分子结构需要高能辐射,例如X射线,其能够穿透不透明的蛋清并且具有不超过所检查结构的波长。

“要详细了解结构演变,你必须在微米尺度上研究这一现象,”第一项研究的主要作者Nafisa Begam解释说,他是Schreiber小组的研究员。科学家们使用具有特定几何形状的所谓X射线光子相关光谱(XPCS),使他们能够确定蛋清中蛋白质的结构和动力学。

为了在PETRA III的P10光束线上进行实验,科学家们使用了超市的鸡蛋,并将蛋清装入直径为1.5毫米的石英管中。DESY的合著者Fabian Westermeier解释说:“在内部,蛋清在X射线的帮助下进行了受控加热,X射线束扩展到0.1毫米×0.1毫米,以保持辐射剂量低于蛋白质结构的损伤阈值。”

测量结果显示蛋清中的蛋白质动力学在约四分之一小时的时间内。在最初的三分钟内,蛋白质网络呈指数增长,约五分钟后达到平稳状态,在此期间几乎不再形成蛋白质连接。此时,蛋白质网络的平均网孔尺寸约为0.4微米(千分之一毫米)。

在第二项研究中,该团队使用XPCS技术研究了蛋白质溶液分别具有高和低蛋白质浓度的结构域的自组织,作为细胞生物学中结构形成的一个例子。在此过程中,他们能够随着时间的推移遵循温度相关的动态。“在高蛋白质密度下,迁移率降低,这减慢了相分离,”Schreiber小组的主要作者Anita Girelli报告说。“这对于系统的特殊动态非常重要。”

这些由德国联邦教育和研究部(BMBF)资助的研究不仅揭示了蛋清中发生的结构变化的新细节,而且证明了实验概念,也可用于其他样品,如第二项研究所证明。Schreiber评论说,成功应用X射线光子相关光谱为研究生物分子动力学开辟了一条新途径,如果我们要正确理解它们,这是必不可少的。

DESY是世界上领先的粒子加速器中心之一,它研究物质的结构和功能-从微小的基本粒子的相互作用以及新型纳米材料和重要生物分子的行为到宇宙的巨大奥秘。DESY在汉堡和Zeuthen开发和建造的粒子加速器和探测器是独特的研究工具。它们产生世界上最强的X射线辐射,加速粒子记录能量并为宇宙打开新窗口。

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