来自东京工业大学的科学家们报告称，在蛋白晶体中固定小型合成分子，为研究化学反应过程中形成的瞬时中间体开辟了一条前景广阔的路径。结合时间分辨串流飞秒结晶术（TR-SFX），他们成功地可视化了反应中心内快速结构变化，这一创新策略对于智能设计药物、催化剂及功能性材料具有重大意义。
复杂的化学反应，无论是人工合成还是自然生物过程，往往并非直接将反应物转化为产物，而是通过一系列短暂存在的中间化合物逐步进行。深入理解这些连续步骤对于能源生产、催化作用以及医药领域的发展至关重要。
然而，要在原子层面捕捉这些短寿命的中间体及其结构变化极具挑战性。一种前沿的技术——时间分辨串流飞秒结晶术，正是为此而生。该技术利用极快的电子激光脉冲照射分子晶体结构，并捕捉其衍射模式，记录下处于不同反应阶段的分子动态。尽管TR-SFX技术强大，但其应用至今主要局限于生物大分子。
为了扩展这项技术的应用范围，展示其对其他类型分子的潜力，由日本东京工业大学的Ueno Takafumi教授带领的研究小组，决定利用TR-SFX分析合成化合物的反应。他们采用了一种创新的方法，成功捕捉到了一氧化碳（CO）从Mn(CO)3释放的动态过程。相关研究成果已发表于<日期占位符>的【自然通讯】杂志上。
研究团队面临的一个重要障碍是TR-SFX最适合应用于像生物大分子那样形成的微晶体。此外，虽然小分子也能形成适用于TR-SFX的晶体，但这些晶体通常排列紧密，反应空间受限。
为解决上述问题，研究团队围绕卵清蛋白溶菌酶（HEWL）开发了一种创新策略。这种天然蛋白质不仅能够形成适合TR-SFX的纳米孔隙结构，而且其His15末端对金属具有强结合力。研究人员利用这些特性，将光敏Mn(CO)3复合物固定在HEWL晶体内部，为研究CO释放反应提供了理想的环境。通过在特定时间间隔向晶体发射光脉冲，相对TR-SFX电子激光脉冲触发反应，实现了对反应进程的控制。
总体而言，该方案通过分析TR-SFX获得的电子密度图变化，为研究目标反应提供了有力支持。「CO释放后，Mn中心在溶液中通常会经历二聚化、空气氧化或沉淀，这使得机理研究变得复杂。我们的工作通过在受限制的蛋白质环境中隔离Mn反应中心，实现了对反应进程中生成的中间体进行详细的实验分析。」Ueno解释道。
值得一提的是，实验结果与量子力学计算高度吻合，证实了该策略的有效性。「我们已经证明，通过使用蛋白晶体作为基质，可以研究合成金属配合物的反应，包括确定任何中间结构。」Ueno总结道，「这一进展有可能促进具有精确机制的人工金属酶的设计，从而加速创新反应的设计、控制与发展。」
