观察蛋白质在维持生命的化学反应中如何运动与变形，一直是现代生物学的重要难题。近年来，X射线自由电子激光（XFEL）凭借飞秒级超短脉冲，能够捕捉分子在反应过程中的结构快照，为研究者提供近似“慢动作”的分子影像。

不过，XFEL相关实验通常需要消耗大量珍贵蛋白质样品，成为限制研究开展的关键因素之一。

亚利桑那州立大学研究人员与国际合作伙伴近日宣布，已开发出一种可显著降低样品消耗的新装置。该团队成员包括来自西班牙高级科学研究委员会（CSIC）的科学家。研究人员称，这一名为“微流控液滴注射器”的系统可将样品消耗量最多减少97%，同时仍能获得高质量的结构数据。相关成果已发表于《Communications Chemistry》。

研究团队介绍，XFEL通过持续时间仅为飞秒（千万亿分之一秒）的脉冲发射X射线，可在极短时间尺度上“冻结”分子运动。在典型实验中，蛋白质会先被培养成微小晶体，再暴露于XFEL脉冲；由此产生的衍射图样用于重建分子活动的原子级结构快照。

传统XFEL实验常采用连续喷射方式让蛋白晶体穿过X射线束路径，但只有少量样品会被脉冲击中，导致大部分蛋白质被浪费。新装置则以一列微小液滴输送样品，每个液滴携带少量蛋白晶体，并与激光脉冲进行时间同步，使样品在需要时才进入光束区域，从而减少无效消耗。

研究人员在欧洲X射线自由电子激光设施上，利用时间分辨串行飞秒晶体学对蛋白质反应过程中的构象变化进行捕捉。实验对象为人类酶NQO1，该酶在细胞解毒与抗氧化应激中发挥作用。

团队表示，他们获得了NQO1与其辅助分子NADH发生初步相互作用的早期结构快照，并在该过程中将蛋白质用量较传统方法最多降低97%。研究人员指出，理解NADH如何结合并在酶内移动，有助于进一步认识该酶的功能及其在疾病研究中的潜在靶向方式。

论文第一作者、亚利桑那州立大学生物设计应用结构发现中心与分子科学学院研究人员亚历山德拉·罗斯（Alexandra Ros）表示，实时观察蛋白质反应具有重要意义，但以X射线晶体学揭示动态行为时对样品的高需求长期构成限制；液滴输送方式在降低负担方面带来进展，使更多实验室有机会开展此前因成本或操作难度而难以实施的动态研究。

在工程实现上，研究团队称该注射器采用高分辨率3D打印制造，内部集成微小通道，可按需混合溶液并形成液滴；其设计与现代XFEL设施的快速脉冲结构兼容，以提升大型装置的使用效率并减少样品浪费。

研究人员还提到，该技术可与X射线激光小型化与普及化的相关工作形成补充，包括亚利桑那州立大学正在推进的紧凑型X射线自由电子激光项目。