來自東京工業大學的科學家們報告稱，在蛋白晶體中固定小型合成分子，為研究化學反應過程中形成的瞬時中間體開辟了一條前景廣闊的路徑。結合時間分辨串流飛秒結晶術（TR-SFX），他們成功地視覺化了反應中心內快速結構變化，這一創新策略對於智能設計藥物、催化劑及功能性材料具有重大意義。
復雜的化學反應，無論是人工合成還是自然生物過程，往往並非直接將反應物轉化為產物，而是透過一系列短暫存在的中間化合物逐步進行。深入理解這些連續步驟對於能源生產、催化作用以及醫藥領域的發展至關重要。
然而，要在原子層面捕捉這些短壽命的中間體及其結構變化極具挑戰性。一種前沿的技術——時間分辨串流飛秒結晶術，正是為此而生。該技術利用極快的電子激光脈沖照射分子晶體結構，並捕捉其繞射模式，記錄下處於不同反應階段的分子動態。盡管TR-SFX技術強大，但其套用至今主要局限於生物大分子。
為了擴充套件這項技術的套用範圍，展示其對其他類別分子的潛力，由日本東京工業大學的Ueno Takafumi教授帶領的研究小組，決定利用TR-SFX分析合成化合物的反應。他們采用了一種創新的方法，成功捕捉到了一氧化碳（CO）從Mn(CO)3釋放的動態過程。相關研究成果已發表於<日期占位符>的【自然通訊】雜誌上。
研究團隊面臨的一個重要障礙是TR-SFX最適合套用於像生物大分子那樣形成的微晶體。此外，雖然小分子也能形成適用於TR-SFX的晶體，但這些晶體通常排列緊密，反應空間受限。
為解決上述問題，研究團隊圍繞卵清蛋白溶菌酶（HEWL）開發了一種創新策略。這種天然蛋白質不僅能夠形成適合TR-SFX的納米孔隙結構，而且其His15末端對金屬具有強結合力。研究人員利用這些特性，將光敏Mn(CO)3復合物固定在HEWL晶體內部，為研究CO釋放反應提供了理想的環境。透過在特定時間間隔向晶體發射光脈沖，相對TR-SFX電子激光脈沖觸發反應，實作了對反應行程的控制。
總體而言，該方案透過分析TR-SFX獲得的電子密度圖變化，為研究目標反應提供了有力支持。「CO釋放後，Mn中心在溶液中通常會經歷二聚化、空氣氧化或沈澱，這使得機理研究變得復雜。我們的工作透過在受限制的蛋白質環境中隔離Mn反應中心，實作了對反應行程中生成的中間體進行詳細的實驗分析。」Ueno解釋道。
值得一提的是，實驗結果與量子力學計算高度吻合，證實了該策略的有效性。「我們已經證明，透過使用蛋白晶體作為基質，可以研究合成金屬配合物的反應，包括確定任何中間結構。」Ueno總結道，「這一進展有可能促進具有精確機制的人工金屬酶的設計，從而加速創新反應的設計、控制與發展。」
