Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Fotosyntese set i et nyt lys ved hurtige røntgenpulser

Grafisk viser det grundlæggende design af en røntgenfri elektronlaser eller XFEL, hvor strålende røntgenstråler rammer krystalliserede prøver, forårsager diffraktionsmønstre, der kan samles til detaljerede billeder. røntgenstråler beskadiger biomolekyler, et problem, der har plaget strukturbestemmelsesindsatser i årtier. Men røntgenstrålerne produceret af en XFEL er så korte-kun femtosekunder-at røntgenstråling fra et molekyle kan registreres, før ødelæggelse finder sted, ligner at bruge en hurtig kameralukker. (Et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund, det samme forhold som et sekund er til 32 millioner år.) Kredit:Shireen Dooling for Biodesign Institute på ASU

Evnen til at omdanne sollys til energi er en af ​​naturens mere bemærkelsesværdige bedrifter. Forskere forstår den grundlæggende proces ved fotosyntese, men mange vigtige detaljer forbliver undvigende, forekommer ved dimensioner og flygtige tidsskalaer, der længe blev anset for for små til at undersøge.

Nu, det ændrer sig.

I en ny undersøgelse, ledet af Petra Fromme og Nadia Zatsepin ved Biodesign Center for Applied Structural Discovery, School of Molecular Sciences og Institut for Fysik på ASU, forskere undersøgte strukturen af ​​Photosystem I (PSI) med ultrakorte røntgenpulser ved European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL), ligger i Hamborg, Tyskland.

PSI er et stort biomolekylært system, der fungerer som en solenergiomformer, der omdanner solenergi til kemisk energi. Fotosyntese giver energi til alt komplekst liv på Jorden og leverer den ilt, vi indånder. Fremskridt med at opklare hemmelighederne ved fotosyntese lover at forbedre landbruget og hjælpe med udviklingen af ​​næste generations solenergilagringssystemer, der kombinerer naturens effektivitet med stabiliteten i menneskeligt konstruerede systemer.

"Dette arbejde er så vigtigt, da det viser det første bevis på begrebet megahertz seriel krystallografi med et af de største og mest komplekse membranproteiner i fotosyntese:Fotosystem I "siger Fromme." Arbejdet baner vej mod tidsopløste undersøgelser på EuXFEL for at bestemme molekylære film af elektronernes lysdrevne vej i fotosyntesen eller visualisere, hvordan kræftlægemidler angriber funktionsfejlende proteiner. "

EuXFEL, som for nylig begyndte at fungere, er den første til at anvende en superledende lineær accelerator, der giver spændende nye muligheder, herunder meget hurtige megahertz-gentagelseshastigheder for sine røntgenpulser-over 9000 gange hurtigere end nogen anden XFEL-med pulser adskilt med mindre end 1 milliondel af et sekund. Med disse utroligt korte udbrud af røntgenlys, forskere vil meget hurtigere kunne optage molekylære film om grundlæggende biologiske processer og vil sandsynligvis påvirke forskellige områder, herunder medicin og farmakologi, kemi, fysik, materialevidenskab, energiforskning, miljøstudier, elektronik, nanoteknologi, og fotonik. Petra Fromme og Nadia Zatsepin er co-tilsvarende forfattere af papiret, offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Naturkommunikation .

Styrke i tal

Fromme er direktør for Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) og leder projektets eksperimentelle teamindsats, mens Zatsepin ledede XFEL -dataanalyseteamet.

"Dette er en vigtig milepæl i udviklingen af ​​seriel femtosekundskrystallografi, bygger på den velkoordinerede indsats fra en stor, tværfagligt, internationalt team og mange års udvikling på forskellige områder "understreger Zatsepin, tidligere forskningsassistent i ASU Institut for Fysik og Biodesign CASD, og nu seniorforsker ved La Trobe University i Australien.

Christopher Gisriel, papirets medforfatter, arbejdet på projektet, mens han var postdoktor i Fromme -laboratoriet og er begejstret for projektet. "Hurtig dataindsamling i serielle femtosekundskrystallografiforsøg gør denne revolutionerende teknik mere tilgængelig for dem, der er interesseret i struktur-funktion-forholdet for enzymer. Dette eksemplificeres af vores nye publikation i Naturkommunikation viser, at selv de mest vanskelige og komplekse proteinstrukturer kan løses ved seriel femtosekundskrystallografi, mens data indsamles ved megahertz -gentagelseshastighed. "

"Det er meget spændende at se det hårde arbejde fra de mange mennesker, der drev dette projekt til at realisere sig, "siger Jesse Coe, co-first author, der sidste år blev færdiguddannet med en ph.d. i biokemi fra ASU. "Dette er et stort skridt i den rigtige retning mod bedre forståelse af Naturens proces med elektronoverførsel, der er blevet forfinet over milliarder af år."

Petra Fromme er direktør for Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) og leder projektets eksperimentelle teamindsats. Kredit:Biodesign Institute på ASU

Ekstrem videnskab

En XFEL (til røntgenfri elektronlaser) leverer røntgenlys, der er en milliard gange lysere end konventionelle røntgenkilder. Det strålende, laserlignende røntgenpulser frembringes af elektroner, der accelereres til nær lyshastighed og føres gennem afstanden mellem serier af skiftende magneter, en enhed kendt som en undulator. Bølgeren tvinger elektronerne til at jiggle og samle sig i diskrete pakker. Hver af de perfekt synkroniserede vredende elektronbunter udsender en kraftfuld, kort røntgenpuls langs elektronens flyvebane.

I seriel femtosekundskrystallografi, en stråle proteinkrystaller injiceres i stien til den pulserede XFEL -stråle ved stuetemperatur, giver strukturel information i form af diffraktionsmønstre. Ud fra disse mønstre, videnskabsfolk kan bestemme billeder i atomskala af proteiner i forhold til oprindelige forhold, baner vejen mod nøjagtige molekylære film af molekyler på arbejdet.

Røntgenstråler beskadiger biomolekyler, et problem, der har plaget strukturbestemmelsesbestræbelser i årtier, kræver, at biomolekylerne fryses for at begrænse skaden. Men røntgenstrålerne produceret af en XFEL er så korte-kun femtosekunder-at røntgenstråling fra et molekyle kan registreres, før ødelæggelse finder sted, ligner at bruge en hurtig kameralukker. Som referencepunkt er et femtosekund en milliontedel af en milliarddel af et sekund, det samme forhold som et sekund er til 32 millioner år.

På grund af raffinementet, størrelse og pris på XFEL -faciliteter, kun fem er i øjeblikket tilgængelige til sådanne forsøg verden over - en alvorlig flaskehals for forskere, da hver XFEL typisk kun kan være vært for ét eksperiment ad gangen. De fleste XFEL'er genererer røntgenpulser mellem 30 og 120 gange i sekundet, og det kan tage flere timer til dage at indsamle de data, der er nødvendige for at bestemme en enkelt struktur, endsige en række rammer i en molekylær film. EuXFEL er den første til at anvende en superledende lineær accelerator i sit design, muliggør den hurtigste række af røntgenpulser af enhver XFEL, hvilket kan reducere den tid, det tager at bestemme hver struktur eller ramme i filmen, betydeligt.

Høj risiko, høj belønning

Fordi prøven udslettes af de intense røntgenpulser, det skal genopfyldes i tide til den næste røntgenpuls, som krævede, at PSI -krystaller blev leveret 9000 gange hurtigere ved EuXFEL end ved tidligere XFEL'er - med en jethastighed på omkring 50 meter i sekundet (160 fod i sekundet), som en mikrofluidisk brandslange. Dette var udfordrende, da det kræver store mængder af det dyrebare protein indeholdt i ensartede krystaller for at nå disse høje strålehastigheder og undgå at blokere prøveudleveringssystemet. Store membranproteiner er så vanskelige at isolere, krystallisere og levere til strålen, at det ikke var kendt om denne vigtige klasse proteiner kunne studeres på EuXFEL.

Teamet udviklede nye metoder, der tillod PSI, som er stort kompleks bestående af 36 proteiner og 381 kofaktorer, der inkluderer de 288 klorofyl (de grønne pigmenter, der absorberer lyset) og har over 150, 000 atomer og er over 20 gange større end tidligere proteiner undersøgt på EuXFEL, at få sin struktur bestemt ved stuetemperatur til en bemærkelsesværdig 2,9 Ångstrøm opløsning - en betydelig milepæl.

Milliarder mikrokrystaller af PSI -membranproteinet, afledt af cyanobakterier, skulle dyrkes til det nye studie. Hurtig krystalvækst fra nanokrystalfrø var påkrævet for at garantere den væsentlige ensartethed af krystalstørrelse og form. PSI er et membranprotein, som er en klasse af proteiner af høj betydning, der har været notorisk vanskelige at karakterisere. Deres udførlige strukturer er indlejret i cellemembranens lipid -dobbeltlag. Typisk, de skal omhyggeligt isoleres i fuldt aktiv form fra deres oprindelige miljø og omdannes til en krystallinsk tilstand, hvor molekylerne pakker sig ind i krystaller, men bevarer al deres oprindelige funktion.

I tilfælde af PSI, dette opnås ved at ekstrahere det med meget milde rengøringsmidler, der erstatter membranen og omgiver proteinet som et poolrør, som efterligner det native membranmiljø og holder PSI fuldt funktionsdygtigt, når det er pakket i krystallerne. Så når forskere skinner lys over de grønne pigmenter (klorofyl), der fanger lyset fra PSI -antennesystemet, energien bruges til at skyde en elektron hen over membranen.

Nadia Zatsepin, tidligere forskningsassistent i ASU Institut for Fysik og Biodesign CASD, er nu seniorforsker ved La Trobe University i Australien. Kredit:Biodesign Institute på ASU

For at holde PSI fuldt funktionsdygtig, krystallerne er kun svagt pakket indeholdende 78% vand, hvilket gør dem bløde som et stykke smør i solen og gør det svært at håndtere disse skrøbelige krystaller. "For at isolere, karakterisere og krystallisere et gram PSI, eller en milliard PSI -molekyler, for eksperimenterne i deres fuldt aktive form var en kæmpe indsats af de studerende og forskere i mit team "siger Fromme." I fremtiden, med endnu højere gentagelseshastigheder og nye prøveudleveringssystemer vil prøveforbruget blive drastisk reduceret. "

Registreringen og analysen af ​​diffraktionsdata var en anden udfordring. En unik røntgendetektor blev udviklet af EuXFEL og DESY til at håndtere kravene fra strukturbiologiske undersøgelser på EuXFEL:den adaptive-gain integrerende pixeldetektor, eller AGIPD. Hver af AGIPD's 1 million pixels er mindre end en hundrededel af en tomme på tværs og indeholder 352 analoge hukommelsesceller, som gør det muligt for AGIPD at indsamle data med megahertz -hastigheder over et stort dynamisk område. Imidlertid, at indsamle nøjagtige krystallografiske data fra mikrokrystaller af store membranproteiner krævede et kompromis mellem rumlig opløsning og prøveudtagning af dataene.

"Skubbe til dataindsamling med højere opløsning med den aktuelle detektorstørrelse kan forhindre nyttig behandling af de krystallografiske data, fordi diffraktionspletterne ikke er tilstrækkeligt løst af røntgendetektorpixel" advarer Zatsepin, "men hvad angår datahastigheder og dynamisk område, hvad AGIPD er i stand til er utroligt. "

Den nye datareduktion og krystallografiske analysesoftware designet specielt til at håndtere de udfordringer, der er unikke for de massive datasæt i XFEL -krystallografi, hvis udvikling blev ledet af samarbejdspartnere på CFEL, DESY, og ASU, er kommet langt siden det første højopløselige XFEL-eksperiment i 2011.

"Vores software og DESYs højtydende computermuligheder bliver virkelig sat på prøve med de hidtil usete datamængder, der genereres på EuXFEL. Det er altid spændende at skubbe grænserne for den nyeste teknologi, "tilføjer Zatsepin.

Membranproteiner:diskette, alligevel formidabel

Membranproteiner som PSI - navngivet fordi de er indlejret i cellemembraner - er afgørende for alle livsprocesser, herunder respiration, nervefunktion, næringsoptagelse, og celle-cellesignalering. Da de er på overfladen af ​​hver celle, er de også de vigtigste farmaceutiske lægemiddelmål. Mere end 60% af alle nuværende lægemidler er målrettet mod membranproteiner. Designet af mere effektive lægemidler med færre bivirkninger er derfor betinget af at forstå, hvordan bestemte lægemidler binder sig til deres målproteiner og deres meget detaljerede strukturelle konformationer og dynamiske aktiviteter.

På trods af deres enorme betydning inden for biologi, membranproteinstrukturer udgør mindre end 1% af alle proteinstrukturer, der er løst til dato, fordi de er notorisk vanskelige at isolere, karakterisere og krystallisere. Det er derfor store fremskridt inden for krystallografiske metoder, såsom fremkomsten af ​​membranprotein megahertz seriel femtosekund krystallografi, uden tvivl vil få en betydelig indvirkning på det videnskabelige samfund.

Det tager en landsby

Disse nylige præstationer ville ikke være mulige uden den utrættelige indsats fra et dedikeret team på næsten 80 forskere fra 15 institutioner, herunder ASU, den europæiske XFEL, DESY, centret for ultrahurtig røntgenvidenskab, Hauptman-Woodward Institute, SUNY Buffalo, SLAC, University of Hamburg, Goettingen Universitet, Det ungarske videnskabsakademi, University of Tennessee, Lawrence Livermore National Laboratory, University of Southampton, Hamburg University of Technology, University of Wisconsin. Forskningsgruppen omfattede amerikanske samarbejdspartnere i NSF BioXFEL Science and Technology Center og en gruppe internationale samarbejdspartnere, herunder Adrian P. Mancuso og Romain Letrun, ledende forskere ved EuXFEL beamline og Oleksandr Yefanov og Anton Barty fra CFEL/DESY, der arbejdede tæt sammen med ASU -teamet om den komplekse dataanalyse.

Varme artikler