Hvordan elektriske felter påvirker et molekylært twist i lysfølsomme proteiner

Et team af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har fået indsigt i, hvordan elektriske felter påvirker den måde, energi fra lys driver molekylær bevægelse og transformation i et protein, der almindeligvis bruges i biologisk billeddannelse. En bedre forståelse af dette fænomen, som er afgørende for mange processer, der forekommer i biologiske systemer og materialer, kunne gøre det muligt for forskere at finjustere et systems egenskaber for at udnytte disse effekter, for eksempel at bruge lys til at kontrollere neuroner i hjernen. Deres resultater blev offentliggjort i Videnskab i januar.

Vrid og råb

Menneskesyn, fotosyntese og andre naturlige processer høster lys med proteiner, der indeholder molekyler kendt som kromoforer, hvoraf mange vrider sig, når lyset rammer dem. Kendetegnet for denne snoede bevægelse, kaldet fotoisomerisering, er den del af molekylet roterer omkring en bestemt kemisk binding.

"Noget ved proteinmiljøet styrer denne meget specifikke og vigtige proces, " siger Steven Boxer, en biofysisk kemiker og Stanford-professor, der forestod forskningen. "En mulighed er, at fordelingen af ​​atomer i det molekylære rum blokerer eller tillader rotation omkring hver kemisk binding, kendt som den steriske effekt. Et alternativ har at gøre med ideen om, at når molekyler med dobbeltbindinger exciteres, der er en afgiftsadskillelse, og derfor kan de omgivende elektriske felter favorisere rotationen af ​​en binding frem for en anden. Dette kaldes den elektrostatiske effekt."

En anderledes melodi

For at finde ud af mere om denne proces, forskerne så på grønt fluorescerende protein, et protein, der ofte bruges til biologisk billeddannelse, hvis kromofor kan reagere på lys på en række måder, der er følsomme over for dets lokale miljø i proteinet, producerer fluorescerende lys af forskellige farver og intensiteter.

Stanford kandidatstuderende Matt Romei og Chi-Yun Lin, hvem ledede undersøgelsen, tunede de elektroniske egenskaber af kromoforen i proteinet ved at indføre kemiske grupper, der systematisk tilføjede eller subtraherede elektroner fra kromoforen for at konstruere en elektrisk felteffekt. Derefter målte de, hvordan dette påvirkede kromoforens vridningsbevægelse.

Med hjælp fra medforfatter Irimpan Mathews, en videnskabsmand ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), forskerne brugte en røntgenteknik kaldet makromolekylær krystallografi ved SSRL-strålelinjer 7-1, 12-2 og 14-1 for at kortlægge strukturerne af disse afstemte proteiner for at vise, at disse ændringer havde ringe effekt på atomstrukturen af ​​kromoforen og det omgivende protein. Derefter, ved at bruge en kombination af teknikker, de var i stand til at måle, hvordan ændringer i kromoforens elektronfordeling påvirkede, hvor rotationen fandt sted, når den blev ramt af lys.

"Indtil nu, det meste af forskningen i fotoisomerisering i dette særlige protein har enten været teoretisk eller fokuseret på den steriske effekt, " siger Romei. "Denne forskning er en af ​​de første til at undersøge fænomenet eksperimentelt og vise vigtigheden af ​​den elektrostatiske effekt. Når vi plottede dataene, vi så disse virkelig flotte tendenser, der tyder på, at tuning af kromoforens elektroniske egenskaber har en enorm indflydelse på dens bindingsisomeriseringsegenskaber."

Slibeværktøj

Disse resultater foreslår også måder at designe lysfølsomme proteiner ved at manipulere miljøet omkring kromoforen. Lin tilføjer, at den samme eksperimentelle tilgang kunne bruges til at studere og kontrollere den elektrostatiske effekt i mange andre systemer.

"Vi forsøger at finde ud af princippet, der styrer denne proces, " siger Lin. "Ved at bruge det, vi lærer, vi håber at anvende disse koncepter til at udvikle bedre værktøjer inden for områder som optogenetik, hvor du selektivt kan manipulere nerver for at føre til bestemte funktioner i hjernen."

Boxer tilføjer, at ideen om, at de organiserede elektriske felter i proteiner er vigtige for mange biologiske funktioner, er et spirende koncept, som kunne være af interesse for et bredt publikum.

"Meget af arbejdet i vores laboratorium fokuserer på at udvikle metoder til at måle disse felter og forbinde dem med funktion såsom enzymatisk katalyse, " han siger, "og vi ser nu, at fotoisomerisering passer ind i denne ramme."