东京工业大学的研究团队近日发表了一项重要研究，指出在蛋白质晶体中固定小型合成分子为探究化学反应中间体提供了一种新颖且有效的方法。通过结合时间分辨序列飞秒晶体学技术，他们成功地观察到了反应中心内的反应动力学及其快速结构变化。这一创新方法在药物开发、催化剂设计和功能材料的智能化设计方面展现出巨大的潜力。
复杂的化学反应，尤其是合成和生物反应，通常并非直接将反应物转化为产物，而是通过形成短暂的中间体进行逐步反应，最终生成目标产物。深入理解这些过程对于能源、催化和医学等领域的进步至关重要。
然而，捕捉化学反应中短寿命中间体的结构变化在技术上具有相当大的挑战，尤其是在原子级别上。时间分辨串行飞秒晶体学（TR-SFX）是一种前沿技术，通过向结晶分子发射极快的电子激光脉冲并捕获随后的衍射图案，能够记录反应的不同阶段，进而分析反应动力学。尽管TR-SFX展现出强大的能力，但其应用主要集中在生物大分子上。
为了拓展这一技术的应用范围，研究小组在上野隆文教授的带领下，决定将其应用于合成化合物的反应分析。他们采用创新方法成功捕捉了Mn(CO)3释放一氧化碳（CO）的动力学，相关研究成果已于6月29日发表在《自然通讯》上。
研究团队面临的一个主要挑战是，TR-SFX在微晶体（如生物大分子形成的微晶体）中效果最佳。虽然小分子也能形成适合TR-SFX的晶体，但这些晶体通常堆积紧密，几乎没有反应发生的空间。
为了解决这些问题，研究团队开发了一种基于蛋清溶菌酶（HEWL）的创新策略。这种天然蛋白质不仅能够形成适合TR-SFX的纳米孔结构，还具有与金属强结合的His15末端。研究人员利用这些特性将含有Mn(CO)3的光敏化合物固定在HEWL晶体中，为研究CO释放反应提供了理想的环境，该反应通过精确控制的光脉冲触发。
通过分析TR-SFX获得的电子密度图变化，研究团队证明了这一方法在研究目标反应方面的有效性。CO释放后，Mn中心通常会在溶液中发生二聚化、氧化或沉淀，增加了机理研究的复杂性。上野教授表示，通过在受限的蛋白质环境中分离Mn反应中心，研究团队能够对反应过程中产生的中间体进行详细分析。
值得一提的是，实验结果与量子力学计算高度一致，验证了所提出的策略。上野总结道：“我们已经确认，通过使用蛋白质晶体作为基质，可以研究合成金属络合物的反应，包括识别任何中间结构。这一进展有望推动人工金属酶的设计，使我们能够更好地设计、控制和开发创新反应。”
总之，这项研究所开发的方法为涉及非生物成分的新药、催化剂和酶系统的智能设计提供了新的思路。希望这一新工具能够推动多个应用领域迈向下一代技术的进步！
