DNA、RNA和蛋白质是分子生物学的支柱。DNA持有遗传指令，蛋白质将这些计划付诸行动，而RNA则充当信使和解释者。DNA被转录为RNA，然后RNA解码这些指令以合成蛋白质。但大部分RNA不会继续产生蛋白质，绝大多数仍以RNA的形式存在。这些分子的作用或它们为何以这种状态存在尚不完全清楚。

现在，科学家们已经开发出一种很有前途的方法来揭开RNA的秘密。使用X射线自由电子激光源，例如能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源，研究人员现在可以观察自由分散在溶液中的RNA的精细细节，直至埃级特征，从而大规模的结构变化可能会发生——就像我们的身体一样。

这项研究不仅揭示了RNA的行为，而且所开发的技术也可以应用于其他生物分子。从更好地了解疾病到设计新的疗法，其影响是深远的。这些结果发表在上周的《科学进展》杂志上上。

混合和分散

几十年来，研究人员一直在研究蛋白质结构，以了解它们的行为和作用。RNA和蛋白质一样，有自己的编排——它如何扭曲、翻转和折叠。这些“舞蹈”决定了它们的功能。然而，RNA分子的研究更具挑战性，因为它们带高电荷且非常灵活，因此很难确定其结构。

当用X射线探测时，RNA会显示出某些重复模式，反映其结构组成的快照。这些所谓的“散射特征”非常微弱，即使在不及时变化的样本中也难以测量。观察它们的转变更具挑战性，因为用X射线隔离短时间尺度需要非常少量的样本。

为了观察这些分子在生物学相关的毫秒时间尺度上的变化，研究人员需要将强大的探测光束聚焦在一个微小的点上。LCLS现在已被证明可以提供足够明亮的光束来捕获这些散射特征，使科学家能够以前所未有的细节观察不断变化的RNA结构。

由康奈尔大学教授路易斯·波拉克领导的研究小组修改了他们的专用液体注射器，以便能够研究生物分子与化学触发物混合时如何反应。由Pollack的研究生KaraZielinski设计和制造的特殊混合注射器，将自由漂浮的RNA分子以液体射流的形式送入LCLS光束的路径中。

就在RNA分子被X射线激光束击中前几毫秒，它们与混合注射器内的镁离子结合。当RNA分子“折叠”成最终结构时，离子引发了RNA分子形状的巨大变化。持续时间仅为十亿分之一秒的超亮X射线脉冲随后测量了RNA结构的变化。在引入镁后，通过在连续时间延迟的定格X射线分子电影中结合许多这些测量结果，研究人员能够跟踪RNA的结构变化。

通过这项技术，研究人员捕获了RNA分子从展开到折叠的大结构转变。在几毫秒内，RNA链从单链状态演化为部分双螺旋中间体，最终呈现出三螺旋形状。

现场表演

这项研究的一个亮点是实时分析，其中在测量后几分钟内就使用功能强大的计算机重建了分子电影。到目前为止，研究人员必须保持耐心，长时间收集数据才能了解结果。在这项研究中，研究小组可以随着实验的展开见证RNA的结构变化，并动态分析数据。这就像观看RNA舞蹈的现场直播，每一个动作和旋转都意味着其结构的变化。

“那种兴奋是深远的，”波拉克回忆道，“我们实时观察这些分子，观察它们折叠和改变形状。”

接下来，该团队计划将高分辨率和低分辨率测量结合起来，将它们与模拟相结合，以提供RNA结构和行为的详细原子视图。实验观察和计算模型之间的协同作用可以为生物分子相互作用提供新的见解。

妙语

虽然这项研究使用简单的RNA模型来确保可预测性，但科学家们现在能够以巨大的细节和快速的速度实时观察化学引发的结构变化。这可能会进一步解开RNA结构之谜。

这项研究将为制药业的进步打开大门。通过对RNA结构的更深入了解，可以改进靶向药物设计，使其发挥更精确、更高效的作用。

该团队的技术不仅仅局限于RNA。他们的技术，特别是混合注射器，用途广泛，足以研究蛋白质和DNA中的各种其他分子相互作用。

谈到更广泛的影响，波拉克说：“这不仅仅是关于RNA的发现。这是一种认识，我们现在可以使用的工具使我们能够以前所未有的细节见证复杂的分子事件。最重要的是，我们现在可以看到非常详细的信息。”在非常短的时间内。”