Tańczące cząstki ujawniają podstawowe silniki lokomocyjne

Wprowadzenie ultraszybkiej fizyki do biologii strukturalnej ujawniło taniec molekularnej „spójności” z niespotykaną dotąd wyrazistością.

Sposób, w jaki cząsteczki zmieniają się, gdy wchodzą w interakcję z bodźcami, takimi jak światło, ma kluczowe znaczenie dla biologii, na przykład podczas fotosyntezy. Naukowcy pracowali nad wyjaśnieniem, w jaki sposób te zmiany działają w kilku obszarach, a łącząc dwa z nich, badacze utorowali drogę do nowej ery w zrozumieniu interakcji cząsteczek białek niezbędnych do życia.

Duży międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez profesora Jaspera Van Thora Z Imperial’s Department of Life Sciences opisują swoje odkrycia w czasopiśmie Chemia natury.

Krystalografia jest potężną techniką w biologii strukturalnej do robienia „migawek” sposobu ułożenia cząsteczek. W ciągu wielu eksperymentów na dużą skalę i lat pracy teoretycznej zespół odpowiedzialny za nowe badanie połączył to z inną techniką, która odwzorowuje wibracje w elektronowej i jądrowej konfiguracji cząsteczek, zwaną spektroskopią.

Mamy teraz narzędzia do zrozumienia i kontrolowania dynamiki molekularnej w niezwykle szybkich skalach czasowych z subatomową precyzją. profesora Jaspera Van Thora

Demonstrując nową technikę w potężnych laserach rentgenowskich na całym świecie, zespół wykazał, że gdy badane przez nich cząsteczki białek są wzbudzane optycznie, ich pierwsze ruchy są wynikiem „spójności”. Pokazuje to efekt wibracyjny, a nie ruch, dla funkcjonalnej części następującej reakcji biologicznej.

To ważne rozróżnienie, po raz pierwszy zademonstrowane eksperymentalnie, podkreśla, w jaki sposób fizyka spektroskopii może zapewnić nowy wgląd w klasyczne krystalograficzne metody biologii strukturalnej.

Profesor van Thor powiedział: „Każdy proces podtrzymujący życie jest przeprowadzany przez białka, ale zrozumienie, w jaki sposób te złożone cząsteczki wykonują swoje funkcje, zależy od poznania rozmieszczenia ich atomów – i tego, jak zmienia się ta struktura – podczas interakcji.

„Korzystając z metod spektroskopowych, możemy teraz bezpośrednio zobaczyć ultraszybkie ruchy molekularne należące do tak zwanego procesu koherencji w obrazowej formie poprzez rozdzielenie ich struktur krystalicznych. Mamy teraz narzędzia do zrozumienia i kontrolowania dynamiki molekularnej w bardzo szybkich skalach czasowych w subatomowych rezolucja.”

„Mamy nadzieję, że dzieląc się metodologicznymi szczegółami tej nowej techniki, zachęcimy naukowców zajmujących się biologią strukturalną w czasie, a także ultraszybką spektroskopią laserową do badania krystalicznych struktur koherencji”.

Łącz technologie

Połączenie technologii wymaganych do korzystania z urządzeń rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach (XFEL), w tym Linac Coherent Light Source (LCLS) w USA, SPring-8 Angstrom Compact LAser na swobodnych elektronach (SACLA) w Japonii, XFEL w Korei i ostatnio European XFEL w Hamburgu.

Członkowie zespołu od 2009 roku pracują nad XFEL, aby wykorzystać i zrozumieć ruchy interakcji białek w femtosekundowej skali czasu (jedna milionowa miliardowej części sekundy), znanej jako femtochemia. Po wzbudzeniu impulsem laserowym wykonuje się „migawki” struktury za pomocą promieni rentgenowskich.

Wczesny sukces tej techniki w 2016 roku dał szczegółowy obraz Wywołana światłem zmiana w białku biologicznym. Jednak naukowcy nadal muszą odpowiedzieć na kluczowe pytanie: jakie jest pochodzenie subtelnych „ruchów” molekularnych w femtosekundowej skali czasu bezpośrednio po pierwszym impulsie światła laserowego?

Wcześniejsze badania zakładały, że wszystkie ruchy odpowiadają interakcji biologicznej, czyli ruchowi funkcjonalnemu. Ale stosując nową metodę, zespół odkrył, że w swoich eksperymentach tak nie było.

Spójna kontrola

Aby dojść do tego wniosku, opracowali „koherentną kontrolę” — kształtowanie światła laserowego w celu kontrolowania ruchów białka w przewidywalny sposób. Po początkowym sukcesie w 2018 roku w LCLS w Stanford, testowanie i walidacja metody wymagało łącznie sześciu prób w obiektach XFEL na całym świecie, za każdym razem łączących duże zespoły i tworzących międzynarodową współpracę.

Następnie połączyli dane z tych eksperymentów z metodami teoretycznymi zmodyfikowanymi z femtochemii, aby zastosować je do danych krystalografii rentgenowskiej, a nie do danych spektralnych.

Wniosek był taki, że ultraszybkie ruchy mierzone ze skończoną precyzją w skalach pikometrycznych i femtosekundowych nie należą do interakcji biologicznych, ale do spójności wibracyjnej w szczątkowym stanie podstawowym.

Oznacza to, że cząstki, które zostają „pozostawione” po przejściu femtosekundowego impulsu laserowego kontrolują ruchy, które następnie są mierzone, ale tylko w ramach tzw. czasu koherencji wibracyjnej.

Profesor van Thor powiedział: „Doszliśmy do wniosku, że w naszym eksperymencie, nawet jeśli nie uwzględniono spójnej kontroli, tradycyjny pomiar rozdzielczy w czasie był w rzeczywistości zdominowany przez ruchy z„ interakcji ”ciemnego stanu podstawowego, które nie mają nic wspólnego z biologicznym interakcje indukowane przez światło. Zamiast tego, ruchy odpowiadają temu, co jest tradycyjnie mierzone za pomocą spektroskopii oscylacyjnej i mają zupełnie inne, ale nie mniej ważne znaczenie.

„Było to już przewidywane na podstawie wcześniejszych prac teoretycznych, ale teraz zostało to zademonstrowane eksperymentalnie. Będzie to miało znaczący wpływ zarówno w dziedzinie biologii strukturalnej rozdzielczej w czasie, jak i ultraszybkiej spektroskopii, ponieważ opracowaliśmy i dostarczyliśmy narzędzia do pomiaru czasu” -analiza ruchu w skali.” super szybkie femtosekundy.”

Bezprecedensowa współpraca

W artykule bierze udział 49 autorów z 15 instytucji, obejmujących prace na przestrzeni siedmiu lat, w tym eksperymenty prowadzone zdalnie w czasie pandemii. Według profesora Van Thora to poczucie współpracy umożliwiło osiągnięcie rezultatu.

Powiedział: „W szybko zmieniającej się dziedzinie, w której aplikacje XFEL w czasie wiązki są niezwykle konkurencyjne i istnieje presja publikowania każdego indywidualnego doświadczenia, jestem głęboko wdzięczny wszystkim współautorom, członkom zespołu i współpracownikom za ich wytrwałość, ciężką pracę oraz inwestowanie w dążenie do większego celu, co wymagało strategicznej i dłuższej ścieżki, przez którą przeszliśmy”.

Współautor dr Sebastien Botetz SLAC National Accelerator Laboratory, które jest gospodarzem LCLS, powiedział: „Wyniki te odzwierciedlają to, co jest naprawdę wyjątkowe w możliwościach laserów rentgenowskich. Pokazują rodzaj wiedzy w biologii mobilnej, którą można osiągnąć tylko przy bardzo krótkich rozbłyskach promieniowania rentgenowskiego w połączeniu z promieniowaniem”. Dzięki najnowszej technologii laserowej widzimy ekscytującą przyszłość odkryć w tej dziedzinie.

Współautor profesora Gerrita Groenhoffaz Uniwersytetu w Jyväskylä w Finlandii, powiedział: „Wykorzystanie spójnej kontroli do wyodrębnienia odpowiedniej dynamiki molekularnej w elektronicznym stanie wzbudzonym z innych ruchów indukowanych przez lasery wzbudzające jest niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób białka fotoreceptorów ewoluują, aby pośredniczyć w procesie fotoaktywacji. film Nie tylko fotobiologia w działaniu jest ekscytująca, ale może być również kluczem do odblokowania biologicznych zasad projektowania nowych materiałów reagujących na światło”.

–

„Optyczna kontrola ultraszybkiej dynamiki strukturalnej w białku fluorescencyjnymWedług Hutchisona i in. Jest on opublikowany w Nature Chemistry.