Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI использовали швейцарский источник света SLS, чтобы записать молекулярную энергетическую машину в действии и, таким образом, выяснить, как работает производство энергии на клеточных мембранах. С этой целью они разработали новый исследовательский метод, который мог сделать анализ клеточных процессов значительно более эффективным, чем раньше. Теперь они опубликовали свои результаты в журнале Science.
У всех живых существ структурные изменения в белках ответственны за многие биохимически контролируемые функции, например за выработку энергии на клеточных мембранах. Белок бактериородопсин содержится в микроорганизмах, обитающих на поверхности озер, ручьев и других водоемов. Активируемая солнечным светом, эта молекула перекачивает положительно заряженные частицы, протоны, изнутри наружу через клеточную мембрану. При этом он постоянно меняет свою структуру.
Исследователи PSI уже смогли объяснить одну часть этого процесса на рентгеновских лазерах на свободных электронах (ЛСЭ), таких как SwissFEL. Теперь им удалось запечатлеть еще неизвестную часть процесса в своего рода молекулярном фильме. Для этого они взяли метод, который ранее можно было использовать только на ЛСЭ, и усовершенствовали его для использования в швейцарском источнике света SLS. В исследовании подчеркивается синергия между аналитическими возможностями этих двух крупных исследовательских центров PSI. «Благодаря новому методу SLS мы теперь можем проследить последнюю часть движения бактериородопсина, где шаги находятся в миллисекундном диапазоне», - объясняет Тобиас Вейнерт, первый автор статьи.«При измерениях на ЛСЭ в США и Японии мы уже измерили первые два подпроцесса еще до того, как SwissFEL был введен в эксплуатацию», - говорит Вайнерт. «Это происходит очень быстро, от фемтосекунд до микросекунд». Фемтосекунда - это одна триллионная секунды.
Чтобы иметь возможность наблюдать за такими процессами, исследователи используют так называемую кристаллографию "насос-зонд". С помощью этого метода они могут делать снимки движения белков, которые затем можно собрать в видеоролики. Для опытов белки приводят в кристаллическую форму. Лазерный луч, имитирующий солнечный свет, запускает последовательность движений в белке. Рентгеновские лучи, которые затем попадают на образец, создают дифракционные изображения, которые регистрируются детектором с высоким разрешением. Из них компьютеры создают изображение структуры белка в каждый момент времени.
Видео, созданное на основе измерений в SLS, показывает, как меняется структура молекулы бактериородопсина в течение следующих 200 миллисекунд после ее активации светом. Таким образом, теперь выяснен полный так называемый «фотоцикл» молекулы.
Бактериородопсин функционирует как биологическая машина, которая перекачивает протоны изнутри клетки через мембрану наружу. Это создает градиент концентрации на клеточной мембране. На его внешней стороне протонов больше, чем на внутренней. Клетка использует этот градиент для получения энергии для своего метаболизма, позволяя протонам в других местах уравновешивать внешние и внутренние различные концентрации. При этом клетка вырабатывает АТФ, универсальный источник энергии для живых существ. В дальнейшем бактериородопсин восстанавливает градиент концентрации.
"В новом исследовании мы теперь смогли увидеть самые большие структурные изменения в молекуле в реальном времени за всю историю" - под "большим" ученый подразумевает девять ангстрем, то есть одну миллионную толщины человеческий волос. Благодаря этим структурным изменениям в белке открывается брешь, в которой образуется цепочка молекул воды, которая отвечает за транспорт протонов через клеточную мембрану.«До нас эту водную цепочку никто никогда не наблюдал напрямую», - радостно отмечает биохимик.
Эти наблюдения стали возможными только благодаря модификации метода, ранее использовавшегося в SwissFEL, для использования в SLS, а также благодаря новому быстрому и высокому разрешению детектору Эйгера в SLS. Вейнерт уверен, что новый метод исследования с помощью синхротронов, таких как SLS, вдохновит исследования во всем мире. «Исследователи могут использовать новый метод и стать намного более эффективными, поскольку во всем мире синхротронов гораздо больше, чем лазеров на свободных электронах. Кроме того, вам нужно меньше белковых кристаллов, чем требуется для экспериментов на ЛСЭ», - добавляет Вайнерт.
Однако для очень быстрых молекулярных процессов и получения особенно четких изображений и точных результатов исследователи полагаются на SwissFEL. «Процессы в начале фотоцикла происходят за считанные фемтосекунды. Такие быстрые химические реакции можно наблюдать только на ЛСЭ. Кроме того, на ЛСЭ можно регистрировать структуры с более высоким разрешением. Поскольку в линейном ускорителе на образец одновременно попадает столько фотонов, детектор может зафиксировать чрезвычайно четкое изображение.
Вайнерт подчеркивает синергию между двумя крупномасштабными исследовательскими установками: «На SwissFEL доступно лишь небольшое время луча. Благодаря измерениям на SLS мы можем заранее убедиться, что наш эксперимент на SwissFEL будет успешно. Это повышает эффективность."