Atomisk opfattelse af naturens fantastiske molekylære maskiner på arbejde

Forskere fra MPSD's Institut for Atomically Resolved Dynamics ved Center for Free-Electron Laser Science, Center for Ultrafast Imaging (alle i Hamborg), University of Toronto i Canada og ETH i Zürich, Schweiz, har udviklet en ny metode til at se biomolekyler på arbejde.

Denne metode forenkler ikke kun eksperimentet, men fremskynder det så meget, at mange snapshots nu kan optages i en enkelt eksperimentel session. Disse kan derefter samles til en time-lapse-sekvens, der viser biologiens molekylære grundlag.

Alt liv er dynamisk, og det er dens molekylære byggesten. Biomolekylernes bevægelser og strukturelle ændringer er grundlæggende for deres funktion. Imidlertid, at forstå disse dynamiske bevægelser på et molekylært niveau er en formidabel udfordring. En metode til at forstå dem er tidsopløst røntgenkrystallografi, hvor reaktionen af ​​et biologisk molekyle udløses, og derefter tages øjebliksbilleder, når det reagerer. Imidlertid, disse forsøg er ekstremt tidskrævende.

Den nye hit-og-retur metode er skræddersyet til undersøgelsen af ​​biologisk relevante reaktionstidsskalaer, som er i størrelsesordenen millisekunder til sekunder eller endda minutter. Disse tidsskalaer er af særlig interesse for biologer og farmaceutiske forskere, da de ofte afslører de strukturelle ændringer, der er relevante for en bestemt biologisk funktion eller omsætningen af ​​et lægemiddel. Kombinationen af ​​de meget intense mikrofokuserede røntgenstråler, der er tilgængelige på beamline P14 fra European Molecular Biology Laboratory (EMBL) og beamline P11 på DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) med hit-and-return-metoden gjorde det muligt for teamet at forhøre et vigtigt enzym for nedbrydning af menneskeskabte forurenende stoffer i aktion, på millisekundens tidsskala.

Nøglen til deres succes var, at hit-and-return-metoden gør hele eksperimentet meget hurtigere end tidligere tilgange. Mens et enkelt strukturelt øjebliksbillede tidligere kun kunne opnås efter flere timers dataindsamling, den nye hit-og-return-metode giver omkring et tidspunkt i timen, uanset forsinkelsestiden. Metoden fungerer så godt, at det nu er muligt at indsamle mange snapshots i træk, lade forskerne registrere en time-lapse-sekvens af de strukturelle ændringer under et biomolekyls komplette reaktion inden for et enkelt 24-timers eksperiment.

Denne nye metode har et stort potentiale for eksisterende og kommende synkrotronstrålingskilder med høj glans. Fordi det er langt mindre tidskrævende, det vil give mange flere forskere mulighed for at udføre tidsopløste krystallografiundersøgelser. Sammen med EMBL og University of Hamburg, med støtte fra det tyske ministerium for uddannelse og forskning (BMBF), hit-og-retur-metoden er allerede ved at blive implementeret som et standardprøvemiljø for den nye tidsopløste makromolekylære krystallografi-slutstation på EMBL beamline P14 ved PETRA III-synkrotronen hos DESY.

Teamet forventer, at der vil komme mange flere vigtige indsigter om biokemiske processer ved at anvende sådanne banebrydende teknologier. En dybere forståelse af disse processer vil på tur, hjælpe med at besvare nogle af de mest presserende spørgsmål om vores sundhed og miljøet.