Molekylær energimaskine som filmstjerne

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har brugt den schweiziske lyskilde SLS til at registrere en molekylær energimaskine i aktion og dermed afsløre, hvordan energiproduktion ved cellemembraner fungerer. Til dette formål udviklede de en ny undersøgelsesmetode, der kunne gøre analysen af ​​cellulære processer væsentligt mere effektiv end tidligere. De har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskab .

I alt levende, strukturelle ændringer i proteiner er ansvarlige for mange biokemisk kontrollerede funktioner, for eksempel energiproduktion ved cellemembraner. Proteinet bacteriorhodopsin forekommer i mikroorganismer, der lever på overfladen af ​​søer, vandløb, og andre vandområder. Aktiveret af sollys, dette molekyle pumper positivt ladede partikler, protoner, fra indersiden til ydersiden gennem cellemembranen. Mens du gør dette, den ændrer konstant sin struktur.

PSI-forskere var allerede i stand til at belyse en del af denne proces ved fri-elektron røntgenlasere (FEL'er) såsom SwissFEL. Nu er det også lykkedes at optage den endnu ukendte del af processen i en slags molekylær film. Til dette tog de en metode, der tidligere kun havde været brugbar ved FEL'er, og videreudviklede den til brug ved Swiss Light Source SLS. Undersøgelsen understreger synergien mellem de analytiske muligheder på disse to store forskningsfaciliteter på PSI. "Med den nye metode hos SLS, vi kan nu følge den sidste del af bacteriorhodopsin-bevægelsen, hvor trinene er i millisekundområdet, " forklarer Tobias Weinert, avisens første forfatter. "Med målinger ved FEL'er i USA og Japan, vi havde allerede målt de to første delprocesser før SwissFEL blev idriftsat, " siger Weinert. "Disse foregår meget hurtigt, inden for femtosekunder til mikrosekunder." Et femtosekund er en trilliontedel af et sekund.

For at kunne observere sådanne processer, forskerne bruger såkaldt "pump-probe" krystallografi. Med denne metode, de kan tage snapshots af proteinbevægelser, som derefter kan samles til film. Til eksperimenterne, proteiner bringes i krystalform. En laserstråle, efterligne sollys, udløser sekvensen af ​​bevægelser i proteinet. Røntgenstråler, der efterfølgende rammer prøven, producerer diffraktionsbilleder, som optages af en højopløsningsdetektor. Fra disse, computere genererer et billede af proteinstrukturen på hvert tidspunkt.

Filmen skabt ud fra målingerne ved SLS viser, hvordan strukturen af ​​bacteriorhodopsin-molekylet ændrer sig i de næste 200 millisekunder, efter at det er aktiveret af lys. Med det, en komplet såkaldt "fotocyklus" af molekylet er nu blevet belyst.

Bacteriorhodopsin fungerer som en biologisk maskine, der pumper protoner inde fra cellen gennem membranen til ydersiden. Dette skaber en koncentrationsgradient ved cellemembranen. På dens ydre side, der er flere protoner end på dens inderside. Cellen bruger denne gradient til at få energi til sit stofskifte ved at tillade protoner andre steder at balancere de udvendige og indre forskellige koncentrationer. Derved, cellen producerer ATP, en universel energikilde i levende ting. Efterfølgende bacteriorhodopsin genopretter koncentrationsgradienten.

"I den nye undersøgelse, vi var nu i stand til at se de største realtids strukturelle ændringer i et molekyle nogensinde" - med "stort" mener videnskabsmanden ni ångstrøm, det er, en milliontedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Gennem disse strukturelle ændringer, der åbner sig et hul i proteinet, hvori en kæde af vandmolekyler dannes, og dette er ansvarligt for protontransporten gennem cellemembranen. "Før os, ingen havde nogensinde observeret denne vandkæde direkte, " konstaterer biokemikeren glad.

Disse observationer blev kun muliggjort ved ændringen af ​​den metode, der tidligere blev anvendt ved SwissFEL til brug ved SLS, og takket være den nye højopløselige og hurtige "Eiger"-detektor hos SLS. Weinert er sikker på, at den nye metode til undersøgelse ved hjælp af synkrotroner som SLS vil inspirere til forskning verden over. "Forskere kan bruge den nye metode og blive meget mere effektive, da der på verdensplan er mange flere synkrotroner end frielektronlasere. Udover det, du har brug for færre proteinkrystaller, end der kræves til eksperimenter på FEL'er, " tilføjer Weinert.

Imidlertid, for de meget hurtige molekylære processer, og for at få særligt skarpe billeder og præcise resultater, forskerne stoler på SwissFEL. "Processerne i begyndelsen af ​​fotocyklussen foregår i løbet af femtosekunder. Det er kun muligt at observere så hurtige kemiske reaktioner ved FELs." Ud over, strukturer kan optages med højere opløsning ved FEL'er. Fordi så mange fotoner rammer prøven på én gang med den lineære accelerator, detektoren kan fange et ekstremt skarpt billede.

Weinert understreger synergien mellem de to store forskningsfaciliteter:"Hos SwissFEL, kun en lille mængde stråletid er tilgængelig. Med målene hos SLS, vi kan på forhånd sikre os, at vores eksperiment hos SwissFEL bliver vellykket. Dette øger effektiviteten."

Forskerne har nu offentliggjort resultaterne af undersøgelsen i tidsskriftet Videnskab .