时间分辨光谱学在生物学中的应用
时间分辨光谱学（TRS）是一种功能强大的分析技术，已被广泛应用于各个科学学科。其中，生物学已成为一个大有可为的领域，时间分辨光谱技术为复杂的生物过程提供了宝贵的见解。本文将讨论时间分辨光谱学在生物学中的应用，全面介绍其意义、最新趋势、技术细节和最新研究。
图片来源：Gorodenkoff/Shutterstock.com
时间分辨光谱学的优势
在生物学中，许多重要过程都发生在毫秒、微秒甚至飞秒之间。时间分辨光谱技术可以精确捕捉这些转瞬即逝的瞬间。例如，它可以实时揭示酶反应、光合作用中的电子传递或蛋白质折叠的动力学过程。
此外，时间分辨光谱法不仅限于监测动力学，还能揭示生物分子内的结构变化。这对于研究蛋白质构象变化尤为重要，而蛋白质构象变化在各种疾病中起着至关重要的作用。时间分辨光谱法还能检测 pH 值、离子浓度和温度的变化，从而深入了解这些因素如何影响生化反应。时间分辨光谱技术的另一个重要优势在于药物开发和疾病研究，因为它有助于了解药物如何与其目标分子实时相互作用。例如，它可应用于癌症研究，监测细胞增殖和迁移的动态。
时间分辨光谱学在生物学中的最新发展趋势
最近的发展表明，各种光谱技术与时间分辨光谱技术相结合，可以更全面地了解生物过程。将时间分辨光谱与核磁共振、X 射线晶体学和电子显微镜等其他方法相结合，可以多维度地观察复杂的生物系统。
同样，单分子时间分辨光谱学的发展势头也很猛，它使研究人员能够监测单个分子并详细观察其行为，特别是在研究生物分子相互作用和构象变化方面。
另一个新兴趋势是将超分辨率显微镜与时间分辨光谱相结合，以实现远远超过衍射极限的空间分辨率。这为研究亚细胞结构和细胞过程开辟了新的视野，使研究人员能够直观地看到以前看不到的东西。
最近的趋势也倾向于在体内应用时间分辨光谱技术。这涉及对生物体内的生物过程进行非侵入性监测，使其成为神经科学、药理学和医学诊断等领域的潜在变革者。
时间分辨光谱学在生物学中的工作原理
时间分辨光谱学依赖于物质与电磁辐射之间的相互作用。以超短激光脉冲的形式产生短至飞秒的强光，从而捕捉超快事件。激光脉冲射向生物样本，与样本发生相互作用，引起变化，影响探测光的特性，如波长、偏振或强度。
第二个光脉冲通常称为探测脉冲，用于测量初始脉冲的特性变化。泵浦（激发）脉冲和探针脉冲之间的时间延迟可精确控制。因此，通过分析收集到的数据，可以重建样品特性的时间演变，从而深入了解生物系统中发生的动态过程。
时间分辨光谱学的最新研究
在 2021 年的一项研究中，研究人员探索了时间分辨光谱学在生物学领域的应用，重点是光遗传通道，特别是通道闪烁蛋白（ChRs）和阴离子通道闪烁蛋白（ACRs）。他们研究了天然 ACR（Guillardia theta Anion Channelrhodopsin-1（GtACR1））的光周期，并将其与研究得很透彻的 ChR（Chlamydomonas reinhardtii Channelrhodopsin-2）（CrChR2）进行了比较。这些都是特定类型的蛋白质或通道荧光素。他们采用时间分辨紫外/可见光谱和傅立叶变换红外光谱来监测 GtACR1 光周期中的动态分子过程。
研究发现，GtACR1不存在光适应状态，这使其有别于CrChR2。GtACR1 表现出更高的峰值电流和更低的失活，这归因于它预先存在的隧道和没有同步光周期。这项研究深入揭示了GtACR1通道门控的分子机制及其与CrChR2的不同之处，从而加深了人们对光遗传学工具的设计和在生物学中的应用的理解。
时间分辨光谱学的未来前景
时间分辨光谱学在生物学领域的未来前景非常广阔。时间分辨光谱法有望彻底改变复杂的生物过程研究，提供宝贵的见解和应用。随着该领域技术的进步和研究的发展，可以预见到一些令人兴奋的发展，包括时间分辨光谱与核磁共振、X 射线晶体学和电子显微镜等其他先进光谱技术相结合，增强了多模态整合。这种整合将使人们对复杂的生物系统有更全面的了解。
同样，在神经科学、药理学和医学诊断等领域，向体内应用（涉及对生物体内生物过程的非侵入性监测）的转变也蕴含着巨大的潜力。这些进步将共同塑造和增强我们对生物过程的理解，为生物学的研究和应用提供新的途径。
参考资料
Dreier, M. A., Althoff, P., Norahan, M. J., Tennigkeit, S. A., El-Mashtoly, S. F., Lübben, M., ... & Gerwert, K. (2021). Time-resolved spectroscopic and electrophysiological data reveal insights in the gating mechanism of anion channelrhodopsin. Communications Biology.
Schmitt, M., Dietzek, B., Hermann, G., & Popp, J. (2007). Femtosecond time‐resolved spectroscopy on biological photoreceptor chromophores. Laser & Photonics Reviews.
Gupta, B. K., Rathee, V., Narayanan, T. N., Thanikaivelan, P., Saha, A., Govind, ... & Ajayan, P. M. (2011). Probing a Bifunctional Luminomagnetic Nanophosphor for Biological Applications: a Photoluminescence and Time‐Resolved Spectroscopic Study.
Masuch, R., & Moss, D. A. (2003). Stopped flow apparatus for time-resolved Fourier transform infrared difference spectroscopy of biological macromolecules in 1H2O. Applied spectroscopy.