Dans i mørket:Forskere kaster nyt lys over protein-salt-interaktioner

At studere nanostrukturer i virkelige miljøer, Berkeley Lab-forskere har kombineret teoretiske og eksperimentelle tilgange til at få et glimt af et proteins interaktion med simple salte i vand. Aktiveret af røntgenabsorptionssimuleringssoftware udviklet på Berkeley Labs Molecular Foundry, disse resultater kaster nyt lys over, hvordan salte påvirker proteinstrukturen på atomniveau.

Traditionelle krystallografiske teknikker, såsom røntgendiffraktion, give en profil af ordnede materialer med statiske strukturer. Imidlertid, for dynamiske eller komplekse systemer, hvor atomstrukturen ændrer sig hurtigt, mere sofistikerede metoder er nødvendige. Nu, Berkeley Lab-forskere har anvendt røntgenabsorptionsspektroskopi for at studere et modelprotein, triglycin - en kort kæde af tre molekyler af den enkleste aminosyre, glycin. Ved at simulere dette molekyles røntgenabsorptionsspektrum har holdet vist, hvordan dets kæde bøjes og rettes ud som reaktion på ioner i opløsning.

"At se et molekyle i opløsning er som at se en marionet - du kan se det bøje sig som reaktion på fremstilling og brydning af hydrogenbindinger, " sagde David Prendergast, en ansat videnskabsmand i Theory of Nanostructures Facility på Molecular Foundry. "En konkret viden om, hvordan ioner påvirker denne adfærd, kommer fra at bruge simuleringer af molekylær dynamik, som viser vedvarende forskelle i struktur på nanosekunders tidsskalaer. Ud fra disse data kan vi generere røntgenabsorptionsspektre, som derefter kan sammenlignes med eksperimentelle resultater."

I et specialiseret røntgenabsorptionseksperiment kaldet near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS), røntgenstråler bruges til at undersøge den kemiske binding og miljøet af specifikke elementer i et molekyle eller nanostruktur, såsom nitrogenatomerne i et triglycinmolekyle. Sammen med en flydende mikrojet-teknologi udviklet på Berkeley Labs, NEXAFS er tidligere blevet brugt til at undersøge, hvordan proteiner opløses og krystalliseres i nærvær af forskellige ioner.

Prendergasts software kan nu simulere NEXAFS-data ved at tage et gennemsnit af en række snapshots taget fra en molekylær dynamiksimulering af et givet molekyle. Denne software er et kritisk værktøj til fortolkning af NEXAFS-data fra komplekse, dynamiske systemer, da probetiderne i disse målinger er for langsomme - sekunder snarere end nanosekunder - til at afsløre strukturelle forskelle på nanoskalaen.

"Tidligere undersøgelser fra vores gruppe har vist, at udviklingen af ​​røntgenabsorptionsspektroskopi af væskemikrojets giver en ny atomfølsom sonde af interaktionerne mellem vandige ioner, men det er fremkomsten af ​​denne nye teori, der giver den første pålidelige fortolkning af disse data på molekylært niveau, " sagde Richard Saykally, en Berkeley Lab-kemiker og professor i kemi ved University of California i Berkeley. "Her ser vi denne nye kombination af teori og eksperiment anvendt på et af de vigtigste problemer inden for biofysisk kemi."

Prendergast siger, at hans molekylære dynamik teknik kan bruges til at modellere røntgenspektre af et biologisk system med kendt struktur til at bestemme dets lokale interaktioner, hvad der får den til at danne en bestemt struktur, og hvorfor det antager en bestemt konformation - alt sammen ved at simulere spektrene af en række individuelle snapshots og sammenligne med eksperimentelle resultater. Disse simuleringer er beregningsintensive og er stærkt afhængige af den storstilede supercomputing-infrastruktur leveret af Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

"Selvom disse effekter er en grundlæggende del af naturen, de er stadig dårligt forstået, " sagde Craig Schwartz, en forsker, der arbejder med Prendergast og Saykally, hvis kandidatarbejde førte til denne udgivelse. "NEXAFS' eksperimentelle følsomhed, kombineret med et gennembrud i teorien, gav os ny indsigt i, hvordan disse molekyler interagerer."

Forskerne forventer efterspørgsel fra andre grupper, der udforsker vand (eller andre opløsningsmidler) interaktioner, såvel som både bløde materialer (såsom polymerer) og uorganiske materialer (oxider og metaloverflader), der er direkte relevante for energirelaterede applikationer i katalyse, batteriteknologi og solcelleanlæg. Ud over, efterhånden som røntgenfrie elektronlaserkilder bliver tilgængelige for videnskabsmænd, et rigere eksperimentelt datasæt vil være tilgængeligt for at forstærke teoretiske resultater.