Toepassingen van ultrasnelle natuurkunde op de structurele biologie onthullen de complexe dans van moleculaire ‘coherentie’ met ongekende helderheid. Begrijpen hoe moleculen reageren op stimuli zoals licht, bijvoorbeeld tijdens fotosynthese, is van fundamenteel belang voor de biologie. Wetenschappers hebben geprobeerd te ontdekken hoe deze veranderingen op meerdere gebieden werken, en door twee van deze gebieden samen te brengen, maken onderzoekers de weg vrij voor een nieuw tijdperk van begrip van de moleculaire reacties van eiwitten die cruciaal zijn voor het leven.
Een groot internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor Jasper van Thor van de afdeling Life Sciences van het Imperial College London rapporteerde onlangs hun bevindingen in het tijdschrift Nature Chemistry.
Kristallografie is een krachtige techniek in de structurele biologie die momentopnamen maakt van hoe moleculen zijn gerangschikt. Na verschillende grootschalige experimenten en jaren van theoretisch onderzoek combineerde het team achter de nieuwe studie deze techniek met een andere techniek om de trillingen van de elektronische en nucleaire configuraties van een molecuul in kaart te brengen, bekend als spectroscopie.
Door de nieuwe techniek te demonstreren bij krachtige röntgenlaserfaciliteiten over de hele wereld, toonde het team aan dat wanneer de moleculen in de onderzochte eiwitten optisch opgewonden waren, hun initiële bewegingen het resultaat waren van 'coherentie'. Dit suggereert dat dit eerder een vibratie-effect is dan een daaropvolgende beweging van functionele delen van de biologische respons.
Dit belangrijke verschil, dat voor het eerst experimenteel is aangetoond, benadrukt hoe de spectrale fysica nieuw licht kan werpen op de klassieke kristallografische methoden van de structurele biologie.
Professor Van Tol zei: "Elk proces dat het leven in stand houdt, wordt uitgevoerd door eiwitten, maar om te begrijpen hoe deze complexe moleculen hun werk doen, is het noodzakelijk om de rangschikking van hun atomen te begrijpen en hoe deze structuur verandert tijdens reacties. Met behulp van spectroscopiemethoden kunnen we nu rechtstreeks in de vorm van beelden zien door hun kristalstructuren op te lossen. "We hebben nu de middelen om de moleculaire dynamiek te begrijpen en zelfs te controleren op extreem snelle tijdschalen die de atomaire resolutie benaderen. We hopen dat we, door de methodologische details van deze nieuwe techniek te delen, onderzoekers op het gebied van tijdsopgeloste structurele biologie en ultrasnelle laserspectroscopie zullen aanmoedigen om de kristalstructuur van coherente processen te onderzoeken."
Technologie combinatie
Het combineren van deze technologieën vereist het gebruik van X-ray Free Electron Laser (XFEL)-faciliteiten, waaronder de Linac Coherent Light Source (LCLS) in de Verenigde Staten, de SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser (SACLA) in Japan, PAL-XFEL in Zuid-Korea en, meest recentelijk, de Europese XFEL in Hamburg.
Leden van het team werken sinds 2009 bij XFEL en benutten en begrijpen de beweging van reactieve eiwitten op de femtoseconde (miljardste van een seconde) tijdschaal, bekend als femtoseconde-chemie. Na excitatie met een laserpuls worden röntgenstralen gebruikt om een "momentopname" van de structuur te maken.
In 2016 boekte de technologie aanvankelijk succes, waarbij in detail de veranderingen werden beschreven die optreden in biologische eiwitten die door licht worden veroorzaakt. De onderzoekers moeten echter nog een belangrijke vraag oplossen: waar komt de kleine moleculaire ‘beweging’ op de femtoseconde-tijdschaal vandaan direct na de eerste laserlichtpuls? Eerder onderzoek heeft aangenomen dat alle bewegingen overeenkomen met biologische reacties, dat wil zeggen hun functionele bewegingen. Maar met behulp van de nieuwe methode ontdekte het team tijdens experimenten dat dit niet het geval was.
samenhangende controle
Om tot deze conclusie te komen, creëerden ze ‘coherentiecontrole’: laserlicht vormgeven om de beweging van eiwitten op een voorspelbare manier te controleren. Na aanvankelijk succes bij Stanford's LCLS in 2018 voerden ze, om de aanpak te controleren en te valideren, in totaal zes experimenten uit bij XFEL-faciliteiten over de hele wereld, waarbij ze telkens grote teams vormden en internationale samenwerkingsverbanden aangingen. Vervolgens combineerden ze deze experimentele gegevens met theoretische methoden die waren aangepast op basis van de druppelchemie, zodat ze konden worden toegepast op röntgenkristallografische gegevens in plaats van op spectroscopische gegevens.
De conclusie is dat ultrasnelle bewegingen, nauwkeurig gemeten op picometer- en femtoseconde-tijdschalen, niet tot biologische reacties behoren, maar tot de vibratiecoherentie van de resterende grondtoestand. Dit betekent dat de moleculen die "overblijven" na de femtoseconde laserpuls de vervolgens gemeten beweging domineren, maar alleen binnen de zogenaamde vibratiecoherentietijd.
Professor Van Thor zei: "We concluderen dat in onze experimenten, zelfs zonder coherentiecontrole mee te nemen, conventionele tijdsopgeloste metingen feitelijk worden gedomineerd door bewegingen van de donkere 'reactant'-grondtoestand die geen verband houden met door licht geïnduceerde biologische reacties. In plaats daarvan zijn deze bewegingen tegengesteld aan die gemeten door conventionele vibratiespectroscopie "