Forskning zoomer ind på enzym, der reparerer DNA-skader fra UV-stråler

Et forskerhold ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory bruger Linac Coherent Light Source (LCLS) til at studere et enzym fundet i planter, bakterier og nogle dyr, der reparerer DNA -skader forårsaget af solens ultraviolette (UV) lysstråler.

Ved at studere dette enzym, kaldet DNA fotolyase, med de ultralyse og ultrahurtige pulser fra LCLS røntgenlaseren, Forskere har endelig mulighed for at se enzymet i aktion, da det katalyserer en kemisk reaktion i realtid og på atomare skala for at løse mangeårige debatter om, hvordan disse enzymer virker. Ultimativt, denne viden kunne bruges til at konstruere forbedrede syntetiske versioner af enzymer, der driver afgørende reaktioner i biologiske systemer, eller at producere nye enzymer, der ikke findes i naturen.

"De biokemiske reaktioner udført af enzymer er kernen i levende tings tilpasningsevne og effektivitet, " siger Thomas Joseph Lane, en associeret medarbejder ved LCLS. "Men detaljerne om, hvordan enzymer virker, er skjult i kemiske processer, der forekommer på ekstremt korte tidsskalaer, ned til milliontedele af en milliardtedel af et sekund, så vi havde brug for LCLS til at afsløre deres hemmeligheder."

En kraftfuld reparationsmaskine

På få sekunder, ultraviolet lys fra solen kan beskadige DNA ved at skabe hundredvis af uønskede links i DNA's dobbelthelix. Disse modifikationer gør det genetiske materiale omfangsrigt og ulæseligt af DNA-replikationsværktøjer, fører til permanente mutationer, der kan forårsage kræft og andre sygdomme, hvis de ikke repareres.

Men det samme sollys, der bærer skadelige UV -stråler, indeholder også blåt lys, der kan få fotolyase til hurtigt at reparere enhver DNA -skade.

Fotolyase menes at være en af ​​grundene til, at planter - som har timers eksponering for solen hver dag - er mindre modtagelige for UV-skader end mennesker, som mangler fotolyase. Mennesker og andre pattedyr skal falde tilbage på alternative DNA -reparationsmekanismer (eller undgå helt at gå ud i solen).

Brug af et ultrahurtigt røntgenkamera

Med LCLS, forskere har nu adgang til nogle af de hurtigste og klareste røntgenlaserimpulser i verden for at studere, hvordan levende ting forsvarer sig mod UV-skader.

Tidligere i år, for eksempel, et team af videnskabsmænd ledet af Thomas Wolf, en associeret stabsforsker ved SLAC, brugte LCLS til at se det første trin i en beskyttende proces, der forhindrer UV -skader i DNA -byggesten thymin.

"Før LCLS, andre røntgen-"kameraer" var for langsomme, " Lane forklarer. "At prøve at afbilde enzymer og andre proteiner præcist med disse røntgenkilder ville være som at prøve at tage et actionbillede af Michael Phelps, der svømmer med et gammelt kamera. Du ville kun få et par slørede billeder over hele hans 100-yard sommerfuglebegivenhed, hvilket næppe ville give et spændende eller informativt billede."

Men med LCLS, han siger, "Forestil dig en række billeder i høj opløsning i rækkefølge – du ville være i stand til at fange hver dråbe vand og hvert drej på Phelps' håndled, mens han sommerfugler. Det er, hvad LCLS lader os gøre, når vi visualiserer enzymaktivitet."

Opbygning af bedre enzymer

I modsætning til Wolfs eksperiment om, hvordan DNA beskytter sig selv mod skade, Lanes team studerer, hvordan fotolyase reparerer UV-skader, når beskyttelsesmekanismerne har svigtet. Fotolyase kan styres med stor præcision ved at udsætte den for lys, hvilket gør det til et ideelt enzym at studere ved hjælp af lasergenereret lys.

For at se fotolyasekemi i detaljer, forskerne aktiverede enzymet med en omhyggeligt kontrolleret lyspuls fra en laser. De udsatte efterfølgende enzymet for den LCLS-genererede røntgenpuls, skabe et karakteristisk røntgenspredningsmønster i en specialiseret detektor. Analysen af ​​spredte røntgendata afslørede kemiske og strukturelle ændringer i enzymet på atomniveau og forekommer på en tidsskala på en milliontedel af en milliardtedel af et sekund.

Et af de ultimative mål med at studere den enzymatiske DNA-reparationsproces er at konstruere syntetiske enzymer, der efterligner, men er endnu bedre end dem, der findes i naturen.

"Der er stadig nogle store huller i vores forståelse af, hvordan enzymer virker, fremhævet af det faktum, at menneskeskabte enzymer endnu ikke har matchet naturens ydeevne, " siger Lane. "Vi håber, at vores eksperimenter her på LCLS vil hjælpe os med at bygge bro over disse huller, får os tættere på at forstå og udnytte den kemi, levende ting laver hver dag."