Hvordan en bakteriel proteinstruktur hjælper med biomedicinske undersøgelser

Et lysfølende protein fra en salt-elskende, svovldannende mikrober har vist sig at være nøglen til udvikling af metoder, der er afgørende for avanceret lægemiddelopdagelse, forståelse af menneskesyn og andre biomedicinske anvendelser. I en anmeldelse offentliggjort i denne uge i Strukturel dynamik , fysiker Marius Schmidt fra University of Wisconsin-Milwaukee præsenterer en historie med årtiers forskning i denne mikrobe og de mange nye teknologier, der har muliggjort disse applikationer.

I 1985, forskere fandt, at den lilla svovlbakterie Halorhodospira halophila produceret et protein, der registrerer blåt lys, kendt som fotoaktivt gult protein (PYP). Strukturelle ændringer i PYP-proteinets snoninger og folder fungerer som signaler, der hjælper bakterier med at reagere på stimuli. Disse strukturelle ændringer, konserveret på tværs af mange lignende proteiner, er også nødvendige for funktionen af ​​forskellige andre proteiner, såsom rhodopsinpigmentet, der er ansvarligt for svagt lys i det menneskelige øje.

Når det udløses af et blåt lys, PYP gennemgår en række strukturelle ændringer, der sker inden for millisekunder, danner mange mellemstrukturer undervejs. I løbet af næsten tre årtier, forskere har brugt teknikker som spektroskopi og synkrotronbaserede målinger til at identificere hvert mellemprodukt dannet inden for denne lille tidsskala.

At kunne spotte disse reaktionsmellemprodukter er et vigtigt skridt i lægemiddeludviklingen, fordi de samme metoder så kan anvendes til at studere reaktioner, der er af biomedicinsk betydning, Schmidt forklarede.

"For eksempel, du kan se, hvordan et kræftrelateret enzym, der katalyserer en specifik reaktion, virker, " sagde han. "Hver ny mellemstruktur, vi identificerer, kunne være et potentielt lægemiddelmål til at manipulere den reaktion."

I modsætning til disse andre proteiner, imidlertid, PYP er lille og let at producere i store mængder, hvilket gør den ideel til eksperimentelle undersøgelser af proteinstruktur. I 1995, forskere bestemte strukturen af ​​PYP-proteinet ved hjælp af krystallografi ved 1,4 Ångström opløsning - det er omtrent på størrelse med individuelle atomer. I første omgang, de fleste undersøgelser anvendte spektroskopi-baserede tilgange til at forstå de hurtige lyskatalyserede strukturelle ændringer i PYP.

Tidlige strukturbaserede undersøgelser var afhængige af synkrotron- og synkrotronbaserede strålelinjer, som bruger en enkelt røntgenpuls, som lyskilder til at studere proteinkrystaller. Disse eksperimenter producerede diffraktionsmønstre for at afsløre reaktionsmellemprodukter dannet kun 100 picosekunder, mindre end en milliardtedel af et sekund, efter reaktionen op til slutningen af ​​fotocyklussen. Men at observere tidligere tidspunkter var en teknisk udfordring.

Den første tidsserie af data afslørede mellemprodukter ved 100 nanosekunder til 100 millisekunders fase af PYP-reaktionen, men udgjorde også en analytisk udfordring. Fordi mellemprodukter dannes og henfalder så hurtigt, en prøve på ethvert givet punkt bærer en blanding af mellemliggende strukturer. Hvordan kunne videnskabsmænd skelne dem fra hinanden?

"Indtil begyndelsen af ​​2000'erne, hvordan man løser denne blanding var et uløst problem, " sagde Schmidt. "Men PYP leverede de første datasæt, hvorfra man kan prøve at gøre dette."

Løsningen stammede fra en komponentanalysemetode kendt som singular value decomposition (SVD), som er blevet anvendt til tidsopløst krystallografi af Schmidt og hans kolleger.

"[SVD] kan bekvemt bruges til at udtrække strukturen af ​​rene mellemprodukter fra en blanding, " sagde Schmidt. "Det har virkelig vist sig at være en central metode til at analysere disse data og den, der har flest applikationer indtil videre."

Indtil 2013, forskere havde belyst PYP-fotocyklussen med en opløsning på 100 picosekunder; den hurtigere tidsskala viste sig at være uhåndgribelig. Fremkomsten af ​​røntgenfri elektronlaser (XFEL), en ny slags lyskilde, hjalp med at løse dette problem. Ved at bruge XFEL- og SVD-analysen, forskere har nu også identificeret tidligere processer, afsløre det grundlæggende, afgørende trin i cis-to-transisomeriseringen af ​​PYP på femtosekund og picosekund tidsskala.

Lignende reaktioner, som er afgørende for menneskets syn, også forekomme, når lys rammer retinalpigmentet rhodopsin. "Det ville have været super spændende at se denne isomerisering ske i realtid ved hjælp af XFEL, " sagde Schmidt. "Hvis vi kan se det i PYP, vi kan måske også visualisere det i rhodopsin. PYP har vist sig at være en rollemodel for andre reaktioner, der har cis-transisomerisering."