Применение сверхбыстрой физики к структурной биологии раскрывает сложный танец молекулярной «когерентности» с беспрецедентной ясностью. Понимание того, как молекулы реагируют на такие стимулы, как свет, например, во время фотосинтеза, имеет фундаментальное значение для биологии. Ученые работают над тем, чтобы выяснить, как эти изменения действуют во многих областях, и, объединив две из этих областей, исследователи прокладывают путь к новой эре понимания молекулярных реакций белков, имеющих решающее значение для жизни.
Большая международная исследовательская группа под руководством профессора Джаспера ван Тора с факультета наук о жизни Имперского колледжа Лондона недавно сообщила о своих выводах в журнале Nature Chemistry.
Кристаллография — мощный метод структурной биологии, который делает «моментальные снимки» того, как устроены молекулы. После нескольких крупномасштабных экспериментов и лет теоретических исследований команда, стоящая за новым исследованием, объединила этот метод с другим методом картирования колебаний электронных и ядерных конфигураций молекулы, известным как спектроскопия.
Демонстрируя новую технику на мощных рентгеновских лазерных установках по всему миру, команда показала, что когда молекулы в изученных ими белках подвергаются оптическому возбуждению, их первоначальные движения были результатом «когерентности». Это говорит о том, что это вибрационный эффект, а не последующее движение функциональных частей биологической реакции.
Это важное различие, впервые продемонстрированное экспериментально, показывает, как спектральная физика может пролить новый свет на классические кристаллографические методы структурной биологии.
Профессор Ван Тол сказал: «Каждый процесс, поддерживающий жизнь, осуществляется белками, но чтобы понять, как эти сложные молекулы выполняют свою работу, необходимо понять расположение их атомов и то, как эта структура меняется во время реакций. Используя методы спектроскопии, мы теперь можем видеть непосредственно в форме изображений, решая их кристаллические структуры. Теперь у нас есть инструменты для понимания и даже контроля молекулярной динамики в чрезвычайно быстрых временных масштабах, приближающихся к атомному разрешению. Мы надеемся, что, поделившись методологическими деталями этого нового метода, мы побудим исследователей в области структурной биологии с временным разрешением, а также сверхбыстрой лазерной спектроскопии исследовать кристаллическую структуру когерентных процессов».
Комбинация технологий
Объединение этих технологий требует использования рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL), включая источник когерентного света Linac (LCLS) в США, компактный лазер на свободных электронах SPring-8 Angstrom (SACLA) в Японии, PAL-XFEL в Южной Корее и, совсем недавно, европейский XFEL в Гамбурге.
Члены команды работают в XFEL с 2009 года, изучая и понимая движение реактивных белков в фемтосекундном (миллиардная доля секунды) временном масштабе, известном как фемтосекундная химия. После возбуждения лазерным импульсом рентгеновские лучи делают «снимок» структуры.
В 2016 году технология достигла первого успеха, подробно описав изменения, происходящие в биологических белках под действием света. Однако исследователям все еще предстоит решить ключевой вопрос: откуда возникает крошечное молекулярное «движение» в фемтосекундном масштабе времени непосредственно после первого импульса лазерного света? Предыдущие исследования предполагали, что все движения соответствуют биологическим реакциям, то есть их функциональным движениям. Но, используя новый метод, в ходе экспериментов команда обнаружила, что это не так.
последовательный контроль
Чтобы прийти к такому выводу, они создали «контроль когерентности» — формирование лазерного света для управления движением белков предсказуемым образом. После первоначального успеха в Стэнфордском LCLS в 2018 году, чтобы проверить и утвердить подход, они провели в общей сложности шесть экспериментов на объектах XFEL по всему миру, каждый раз формируя большие команды и формируя международное сотрудничество. Затем они объединили эти экспериментальные данные с теоретическими методами, модифицированными на основе химии капель, так, чтобы их можно было применять к рентгеновским кристаллографическим данным, а не к спектроскопическим данным.
Вывод состоит в том, что сверхбыстрые движения, измеряемые именно в пикометровых и фемтосекундных масштабах времени, относятся не к биологическим реакциям, а к колебательной когерентности оставшегося основного состояния. Это означает, что молекулы, «оставшиеся» после фемтосекундного лазерного импульса, доминируют в впоследствии измеряемом движении, но только в пределах так называемого времени колебательной когерентности.
Профессор Ван Тор сказал: «Мы пришли к выводу, что в наших экспериментах, даже без учета контроля когерентности, в обычных измерениях с временным разрешением на самом деле преобладают движения из основного состояния темного «реагента», которые не связаны с биологическими реакциями, индуцированными светом. Вместо этого эти движения противоположны движениям, измеренным с помощью обычной вибрационной спектроскопии».