解碼隱花色素 一窺蛋白質感光的神祕機制

由臺灣大學化學系助理教授Manuel Maestre-Reyna領銜的國際研究團隊，成功拍攝全球首支高解析度的3D分子影片，首次揭開光感應蛋白「隱花色素 (cryptochrome)」在生物體內如何精確感應並回應光線的分子機制。此研究成果刊登於國際頂尖期刊Science Advances。

隱花色素是普遍存在於動植物中的感光蛋白，它能調控生物的晝夜節律，協助與自然的日夜循環同步。過去研究指出，隱花色素捕捉光線後會產生化學變化，卻因變化過於細微，難以被精確觀測，無法清楚解釋其感光機制。研究團隊透過原子解析度的「超慢動作電影」，說明隱花色素蛋白如何將細微的光化學訊號放大，進而引發劇烈的結構變化。

團隊應用時間解析序列飛秒晶體學 (TR-SFX) 技術，成功記錄隱花色素受光後19個連續的分子動態影像，時間跨度從10奈秒至233毫秒不等。光照後初期，隱花色素中的感光基團FAD吸收藍光，從蛋白質本體擷取電子，產生自由基對 (FAD^•–/Y373^•)，進而活化3個關鍵區域：FAD結合位點、短暫質子轉移通道 (TPP) 以及鄰近Y373的螺旋α22。

研究發現，光照後數奈秒內，FAD結合位點的微小結構變化穩定自由基，使蛋白質內部的其他分子結構有足夠的時間進行結構或化學上的變化。隨後，短暫質子轉移通道 (TPP) 在微秒內開始作用，轉移質子至FAD^•–，延長自由基存在時間並標記光感應的早期信號。約100毫秒後，靠近螺旋α22的自由基 (Y373^•) 導致螺旋結構展開，形成明顯的光感應訊號，代表隱花色素成功偵測光線。

此研究不僅揭露自然界中以光為觸發的分子動態，也對晝夜節律失調症的研究提供重要分子基礎。研究中的自由基對 (radical pairs) 並非只存在於隱花色素的光感應過程中，其他生物過程，如細胞能量轉換、植物光合作用，以及某些生物磁場感應感能力，也會產生類似的自由基對結構，因此隱花色素的光感應機制在自然界也扮演重要的角色。

這項研究獲得國家科學及技術委員會及臺大高等教育深耕計畫，以及日本、德國和美國研究經費支持。研究團隊成員來自臺灣、西班牙、德國、日本與法國。實驗在世界上僅有5座的X光自由電子雷射之一—日本兵庫縣的SPring-8 Angstrom Compact X-ray Free Electron Laser (SACLA) 中完成此項實驗。

研究成果全文： Maestre-Reyna, M. et al. “Capturing structural intermediates in an animal-like cryptochrome photoreceptor by time-resolved crystallography“, Science Advances 2025
3D分子電影： https://vimeo.com/951056403/79ae29f0db?share=copy