Araştırmacılar, iki tekniği birleştirerek moleküler reaksiyonlarda “tutarlılığın” hayati rolünü ortaya çıkardı ve moleküler dinamiğin gelişmiş kontrolünün önünü açtı. Sondalama sürecinin bir örneği. Katkıda bulunan: Samuel Perrett
Yapısal biyolojide ultra hızlı fiziğin kullanılması, moleküler “tutarlılığın” karmaşık dansını benzeri görülmemiş bir netlikte ortaya çıkardı.
Moleküllerin ışık gibi uyaranlara tepki olarak nasıl dönüştüğünü anlamak, Biyolojide temeldir, örneğin fotosentez sırasında. Bilim adamları çeşitli alanlarda bu değişikliklerin işleyişini ortaya çıkarmak için çalışıyorlar ve araştırmacılar bunlardan ikisini birleştirerek yaşam için temel olan protein moleküllerinin reaksiyonlarını anlamada yeni bir çağın yolunu açtılar.
Büyük Imperial Yaşam Bilimleri Bölümü’nden Profesör Jasper van Thor’un liderliğindeki uluslararası araştırma ekibi yakın zamanda bulgularını Nature Chemistry dergisinde bildirdi.
Kristalografi, yapısal biyolojide kristalografinin nasıl gerçekleştiğinin ‘anlık görüntülerini’ almak için güçlü bir tekniktir. moleküller düzenlenmiştir. Yeni çalışmanın arkasındaki ekip, birkaç büyük ölçekli deney ve yıllar süren teori çalışması sonrasında bunu, moleküllerin elektronik ve nükleer konfigürasyonundaki titreşimleri haritalayan, spektroskopi adı verilen başka bir teknikle entegre etti.
Yeni tekniğin güçlü düzeyde gösterilmesi Ekip, dünyanın dört bir yanındaki X-ışını lazer tesislerinde, üzerinde çalıştıkları proteinin içindeki moleküllerin optik olarak uyarıldığında ilk hareketlerinin ‘tutarlılığın’ sonucu olduğunu gösterdi. Bu, takip eden biyolojik reaksiyonun işlevsel kısmı için hareketten ziyade titreşim etkisini göstermektedir.
İlk kez deneysel olarak gösterilen bu önemli ayrım, spektroskopi fiziğinin klasik bilime nasıl yeni bilgiler getirebileceğini vurgulamaktadır. yapısal biyolojinin kristalografi yöntemleri.
Profesör van Thor şunları söyledi: “Yaşamı sürdüren her süreç proteinler tarafından gerçekleştirilir, ancak bu karmaşık moleküllerin işlerini nasıl yaptığını anlamak, atomlarının düzenini ve bunun nasıl gerçekleştiğini öğrenmeye bağlıdır. reaksiyona girdikçe yapı değişir.
“Spektroskopi yöntemlerini kullanarak, artık sözde tutarlılık sürecine ait ultra hızlı moleküler hareketleri, kristal yapılarını çözerek doğrudan resimsel biçimde görebiliyoruz. Artık moleküler dinamiği atoma yakın çözünürlükte son derece hızlı zaman ölçeklerinde anlayacak ve hatta kontrol edecek araçlara sahibiz.
“Bu yeni tekniğin metodolojik ayrıntılarını paylaşarak her iki alandaki araştırmacıları teşvik edebileceğimizi umuyoruz. Tutarlılıkların kristalografik yapılarını keşfetmek için zamanla çözülen yapısal biyolojinin yanı sıra ultra hızlı lazer spektroskopisinden yararlanın.”
Birleştirme teknikleri
Teknikleri birleştirmek, X-ışını serbest elektron lazerinin ( XFEL) tesisleri arasında ABD’deki Linac Tutarlı Işık Kaynağı (LCLS), Japonya’daki SPring-8 Angstrom Kompakt serbest elektron Lazeri (SACLA), Kore’deki PAL-XFEL ve ayrıca yakın zamanda Hamburg’daki Avrupa XFEL yer almaktadır.
Ekibin üyeleri, femtokimya olarak bilinen femtosaniye (saniyenin milyarda birinin milyonda biri) zaman ölçeğinde reaksiyona giren proteinlerin hareketlerini kullanmak ve anlamak için 2009’dan beri XFEL’lerde çalışıyor. Bir lazer darbesiyle uyarılmanın ardından, X ışınları kullanılarak yapının ‘anlık görüntüleri’ alınır.
Bu tekniğin 2016’daki erken başarısı, biyolojik bir yapıdaki ışık kaynaklı değişimin ayrıntılı bir resmiyle sonuçlandı. protein. Ancak araştırmacıların hala önemli bir soruyu ele alması gerekiyordu: İlk lazer ışık darbesinden hemen sonra femtosaniye zaman ölçeğindeki minik moleküler ‘hareketlerin’ kökeni nedir?
Önceki çalışmalar, tüm hareketlerin karşılık geldiğini varsayıyordu. biyolojik reaksiyona, yani fonksiyonel hareketine. Ancak ekip, yeni yöntemi kullanarak deneylerinde durumun böyle olmadığını buldu.
Tutarlı kontrol
Bu sonuca ulaşmak için ‘tutarlı kontrol’ oluşturdular; lazer ışığını şu şekilde şekillendirdiler: Proteinin hareketlerini öngörülebilir bir şekilde kontrol edin. Stanford’daki LCLS’de 2018’deki ilk başarının ardından, yöntemin kontrol edilmesi ve doğrulanması, dünya çapındaki XFEL tesislerinde her seferinde büyük ekipler oluşturan ve uluslararası işbirlikleri oluşturan toplam altı deneyin yapılmasını gerektirdi
Daha sonra bunlardan elde edilen veriler birleştirildi Spektroskopik veriler yerine X-ışını kristalografik verilerine uygulamak için femtokimyadan değiştirilmiş teorik yöntemlerle deneyler.
Sonuç, ultra hızlı hareketlerin pikometre ölçeğinde ve femtosaniye zaman ölçeğinde mükemmel bir doğrulukla ölçüldüğüydü. biyolojik reaksiyona değil, geri kalan temel durumdaki titreşim tutarlılığına aittir.
Bu, femtosaniye lazer darbesi geçtikten sonra ‘geride bırakılan’ moleküllerin, daha sonra ölçülen hareketlere hakim olduğu anlamına gelir. , ancak yalnızca titreşimsel tutarlılık süresi içinde.
Profesör van Thor şunu söyledi: “Deneyimiz için, tutarlı kontrol dahil edilmese bile, geleneksel zaman çözümlemeli ölçümün aslında ışığın tetiklediği biyolojik reaksiyonlarla ilgisi olmayan, karanlık ‘reaktan’ temel durumundan gelen hareketler. Bunun yerine, hareketler geleneksel olarak titreşim spektroskopisi ile ölçülen şeye karşılık gelir ve çok farklı ama aynı derecede önemli bir öneme sahiptir
“Bu aslında daha önce yapılan teorik çalışmalara dayanarak tahmin edilmişti ancak şimdi deneysel olarak gösterilmiştir. Ultra hızlı femtosaniye zaman ölçeği hareketinin analizine yönelik araçlar geliştirdiğimiz ve sağladığımız için, bunun hem zamanla çözümlenen yapısal biyoloji hem de ultra hızlı spektroskopi alanlarında önemli bir etkisi olacaktır.”
Benzeri görülmemiş işbirliği{10 }
Pandemi sırasında uzaktan yürütülen deneyler de dahil olmak üzere yedi yıllık çalışmaları kapsayan makale, 15 kurumdan 49 yazarı içeriyor. Profesör van Thor’a göre sonucu mümkün kılan işte bu iş birliği anlayışıydı.
Şunları söyledi: “XFEL ışın zamanı uygulamalarının inanılmaz derecede rekabetçi olduğu ve her bireyden yayınlama baskısının olduğu, hızlı hareket eden bir alanda Deneyde, tüm ortak yazarlara, ekip üyelerine ve ortak çalışanlara, izlediğimiz stratejik ve çok daha uzun yolu gerektiren daha büyük hedefi gerçekleştirme konusundaki azimleri, sıkı çalışmaları ve yatırımları için son derece minnettarım.”
LCLS’ye ev sahipliği yapan SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan ortak yazar Dr. Sébastien Boutet şunları söyledi: “Bu sonuçlar, x-ışını lazerlerinin gerçekten benzersiz özelliklerini temsil ediyor. Bu, yalnızca çok kısa x-ışını patlamalarıyla ve son teknoloji lazer teknolojisiyle birleştirilerek elde edilebilecek, hareket halindeki biyolojiye ilişkin bilgi türünü göstermektedir. Bu alanda heyecan verici bir keşif geleceği görüyoruz.”
Finlandiya Jyväskylä Üniversitesi’nden ortak yazar Profesör Gerrit Groenhof şunları söyledi: “Elektronik uyarılmış durumdaki ilgili moleküler dinamikleri çıkarmak için tutarlı kontrolün kullanılması Uyarı lazerinin neden olduğu diğer hareketlerden elde edilen veriler, fotoreseptör proteinlerinin foto-aktivasyon sürecine aracılık edecek şekilde nasıl evrimleştiğini anlamak için önemlidir. Böylesine moleküler bir fotobiyoloji filmini iş başında görmek sadece büyüleyici olmakla kalmaz, aynı zamanda ışığa duyarlı yeni malzemelerin tasarlanmasına yönelik biyolojik ilkelerin kilidini açmanın da anahtarı olabilir.”
Referans: “Floresanda ultra hızlı yapısal dinamiklerin optik kontrolü Christopher D. M. Hutchison, James M. Baxter, Ann Fitzpatrick, Gabriel Dorlhiac, Alisia Fadini, Samuel Perrett, Karim Maghlaoui, Salomé Bodet Lefèvre, Violeta Cordon-Preciado, Josie L. Ferreira, Volha U. Chukhutsina, Douglas Garratt, Jonathan Barnard, Gediminas Galinis, Flo Glencross, Rhodri M. Morgan, Sian Stockton, Ben Taylor, Letong Yuan, Matthew G. Romei, Chi-Yun Lin, Jon P. Marangos, Marius Schmidt, Viktoria Chatrchyan, Tiago Buckup, Dmitry Morozov, Jaehyun Park, Sehan Park, Intae Eom, Minseok Kim, Dogeun Jang, Hyeongi Choi, HyoJung Hyun, Gisu Park, Eriko Nango, Rie Tanaka, Shigeki Owada, Kensuke Tono, Daniel P. DePonte, Sergio Carbajo, Matt Seaberg, Andrew Aquila, Sebastien Boutet, Anton Barty, So Iwata, Steven G. Boxer, Gerrit Groenhof ve Jasper J. van Thor, 10 Ağustos 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01275-1{ 4}