在加利福尼亞州帕羅奧多市（Palo Alto）附近的一座山腳下，科學家在位於地下的實驗室裏忙碌地穿梭著，為一系列“爆炸”實驗做最後準備。他們的計畫是：炸飛微小的蛋白質晶體，揭開大自然最神奇的秘密，即植物的光合作用如何把光轉化為化學能。如果他們成功了，人類很可能就將邁進無限清潔能源時代！

2009年12月，一群缺少睡眠的研究人員和學生已經在斯坦福國家加速器實驗室（SLAC）連續工作了數天，為一項實驗做最後的準備。SLAC擁有世界上最強大的X射線雷射器：直線加速器相干光源（LCLS），能夠將電子加速至接近光速。其中一組人員正在緊張地調試著蛋白質晶體噴頭，將它對準鐳射。另一組則把蛋白質晶體裝入噴射器，這裏用到的是光系統I蛋白，這種蛋白在光合作用中扮演著重要角色。

在兩英里加速器隧道盡頭，蛋白質晶體將“擁抱”熾熱的鐳射。在晶體爆炸之前，科學家會用一種新技術給它照張相。這項新技術能夠在幾飛秒內，也就是千萬億分之一秒，採集一系列圖像，並合成動畫。借助這項技術，科學家有望在最細微的尺度上重塑人們對生物學的理解。

關鍵的10飛秒

製作分子電影的第一步開始於2000年，當時都在瑞典烏普薩拉大學的分子生物物理學家亞諾什·豪伊多（Janos Hajdu）和理查德·諾伊策（Richard Neutze）通過計算發現，被X射線擊中的分子會在10飛秒後爆炸。

SFX成像技術的關鍵就在於，從分子被X射線鐳射脈衝擊中，到分子上的電子被高能X射線剝離前，存在幾乎難以察覺的極短間隔。一旦失去電子，分子上帶正電的殘餘部分相互排斥，導致分子擴張並最終爆炸。

我們的做法是，先讓蛋白質分子相互作用並形成微小晶體；然後，向晶體發射高能X射線鐳射脈衝，鐳射脈衝非常短，足夠在鐳射“肢解”分子之前，允許X射線從分子表面散射出去；緊接著，檢測器捕獲散射的X射線，通過分析散射圖案得到蛋白質分子中原子的類型和位置。把蛋白質晶體束從不同角度射入X射線，我們就能重建它的3-D結構。最後，收集同一個反應在不同時間點的圖像，並按照時間順序組合起來，我們就能把反應過程用電影記錄下來。

光系統蛋白成像

彼得拉·弗魯姆（Petra Fromme，本文作者之一）和她的團隊決定用你能想像到的最難的實驗來證明SFX成像技術：光系統I。這個系統包含36個蛋白和300多個捕捉光子的綠色素和橙色素，是迄今為止用X射線分析過的最複雜的蛋白結構。弗魯姆對光系統I有著深刻的理解，她花了好幾年時間製備光系統I蛋白的晶體，並嘗試用其他方法確定它的結構。另一個理由是，我們覺得光系統I的大小或許是個優點，因為即使最終只有一小部分衍射圖案，我們也能得到一張低解析度圖像，足夠辨認出它就是光系統I。

要獲得蛋白質分子快照，我們首先要有光系統I的晶體。在傳統晶體學中，科學家製備大晶體用於X射線成像，是因為大晶體能散射更多的X射線，成像效果更好。但對一些蛋白質來說，往往需要數年的實驗才能得到排列有序的大晶體。對個別蛋白質來說，似乎根本沒法得到它的大晶體。光系統I就是其中之一。

相反，SFX成像技術使用的是在實驗室更容易製備的納米級小晶體。但使用納米晶體也帶來了新的挑戰：不僅要用它獲得足夠強的信號，還要克服一些基礎的物理難題，比如說如何檢測這些在顯微鏡下都看不到的晶體？以及如何把它們送向X射線脈衝的正前方，還要精確地在1秒內完成120次？

首先，我們需要找到一些新方法來看到這些納米晶體。其中一種方法叫做手性晶體的二階非線性成像（SONICC）：晶體將兩束超快速紅外脈衝轉換為一個綠色光子，納米晶體被光子點亮，就像夜空中的螢火蟲，這樣我們就能檢測到它們。

另一個方法讓我們能夠以恒定的速率把蛋白質晶體射入X射線鐳射脈衝。約翰·C·H·斯彭斯（John C.H.Spence，本文作者之一）與亞利桑那州立大學的物理學家烏韋·魏爾斯塔爾（Uwe Weierstall）、布魯斯·多克（Bruce Doak）共同做出了一個功能類似於噴墨印表機的設備，把含有納米晶體的溶液流噴向X射線束。這個噴墨機非常精確，每次只允許一個納米晶體進入雷射光束。

為了防止設備堵塞導致納米晶體流中斷，魏爾斯塔爾設計了一個能產生細流的寬噴嘴。要達到這個效果，他用氦氣流包裹住噴嘴的末端，這樣儘管噴嘴本身很寬，但聚焦後晶體流只有人類頭髮直徑的幾分之一。

所有設備到位之後，我們還面臨著一個問題：如何處理海量數據？單次實驗就會產生高達100TB數據，足夠塞滿25臺頂級臺式電腦的硬碟。為了構建蛋白質的3-D圖像，我們必須找出數以萬計快照中的晶體取向，並把它們組合起來。因此，我們跟當時都是DESY查普曼團隊成員的理查德·基裏安（Richard Kirian）和托馬斯·懷特（Thomas White）合作開發了一款特殊軟體。借助這款軟體，我們能夠把海量的數據轉換成精確的3-D分子圖像。

揭開光合作用的秘密

一步一步地，我們的技術不斷提高。到了2014年，我們第一次觀察到了光合作用中兩個重要參與者，捕捉光的光系統I和鐵氧蛋白之間的電子傳遞過程。

當光照射到光系統I時，光被轉化成電子。接著，電子被鐵氧蛋白轉移，用於將CO₂轉化為生物分子。當鐵氧蛋白離開時，光系統I蛋白馬上就溶解了，讓跟蹤這個反應變得異常困難。只有超高速的SFX成像技術才能捕捉如此迅速的變化。

這項研究的下一個挑戰，也是弗魯姆作為一名生物化學家重點關注的課題——弄清楚植物如何只用陽光和地球上最豐富的金屬（鐵）就能把水分解成氫氣和氧氣。如果人類能像植物那樣分解水，汽車和發電機就可以採用廉價、燃燒無污染的氫氣作為能源，這正是可再生能源經濟的終極夢想。