Gotcha! Forskere fingeraftryksproteiner ved hjælp af deres vibrationer

I cellerne i enhver levende organisme - mennesker, fugle, bier, roser og endda bakterier - proteiner vibrerer med mikroskopiske bevægelser, der hjælper dem med at udføre vitale opgaver lige fra celle reparation til fotosyntese.

Disse livgivende rystelser er emnet for en undersøgelse, der blev offentliggjort den 4. marts i Naturkommunikation .

Et team ledet af University of Buffalo fysiker Andrea Markelz rapporterer, at det har udviklet en metode til hurtigt at måle proteiners unikke vibrationer.

Fremskridtet kunne åbne nye muligheder inden for biologisk forskning, såsom at studere de mikroskopiske bevægelser af proteiner mere effektivt, eller udnytte vibrationsmønstre som "fingeraftryk" for hurtigt at afgøre, om specifikke proteiner er til stede i en laboratorieprøve.

Forskere kunne også bruge den nye teknik til hurtigt at vurdere, om lægemidler designet til at hæmme et proteins vibrationer virker. Dette ville kræve sammenligning af vibrationssignaturer af proteiner før og efter påføring af inhibitorer.

"Proteiner er elegante og robuste nanomaskiner, som naturen har udviklet, "siger Markelz, Ph.d., en professor i fysik ved UB College of Arts and Sciences. "Vi ved, at naturen bruger molekylære bevægelser til at optimere disse maskiner. Ved at lære de underliggende principper for denne optimering, vi kan udvikle ny bioteknologi til medicin, energiindsamling og endda elektronik. "

Katherine A. Niessen, Ph.d., en UB -forsker, der nu er udviklingsforsker ved Corning, er første forfatter til papiret, som inkluderer bidrag fra forskere i UB Department of Physics, UB Institut for Strukturbiologi i Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences ved UB, Hauptman-Woodward Medical Research Institute, det nationale hjerte, Lunge, og Blood Institute og University of Wisconsin-Milwaukee. Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation og US Department of Energy.

Hurtigere måling af proteinvibrationer

Markelz er en førende ekspert i undersøgelsen af ​​proteintrillinger. Disse bevægelser sætter proteiner i stand til hurtigt at ændre form, så de let kan binde sig til andre proteiner - en proces, der er kritisk for normal biologisk funktion.

For flere år siden, Markelz 'laboratorium udviklede en teknik kaldet anisotropisk terahertz -mikroskopi (ATM) til at observere proteinvibrationer i detaljer, herunder energien og bevægelsesretningen.

I pengeautomat, forskere skinner terahertz lys på et molekyle. Derefter, de måler lysfrekvenserne, molekylet absorberer. Dette giver indsigt i molekylernes bevægelse, fordi molekyler vibrerer med samme frekvens som det lys, de opsuger.

Den nye undersøgelse i Naturkommunikation rapporterer, at Markelz 'team har forbedret ATM ved at overvinde en af ​​metodens begrænsninger:Behovet for omhyggeligt at rotere og centrere proteinprøver flere gange i et mikroskop for at indsamle nok nyttige data.

Nu, "i stedet for at rotere proteinprøven, vi roterer polariseringen af ​​det lys, vi skinner på prøven, "Siger Markelz. Med denne justering, det tager kun 4 timer at foretage nyttige målinger - seks gange hurtigere end før. Den nye teknik genererer også mere detaljerede data.

En følsom 'fingeraftryk' teknik

Ved hjælp af den nye tilgang, Markelz og kolleger målte vibrationer af fire forskellige proteiner, generere et genkendeligt vibrationsmæssigt "fingeraftryk" for hver, der bestod af molekylets unikke lysabsorptionsmønster.

De undersøgte proteiner var kyllingæg-hvidt lysozym (et velundersøgt protein på området), fotoaktive gule proteiner (menes at hjælpe med at beskytte visse fotosyntetiserende bakterier mod ultraviolet lys), dihydrofolatreduktase (et lægemiddelmål for antibiotika og kræft), og RNA G-quadruplekser (menes at være involveret i vitale cellulære funktioner såsom genekspression).

Den nye metode frembragte tydelige lysabsorptionsspektre for lysozymer af kyllingæggehvide, der bevægede sig frit i forhold til hønseæggehvide lysozymer, der var bundet af en forbindelse, der hæmmer lysozymernes funktion-og ændrer deres vibrationer. Dette demonstrerer teknikkens nytteværdi ved hurtigt at identificere tilstedeværelsen af ​​en fungerende hæmmer.