Ett team av forskare från Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har fått insikt i hur elektriska fält påverkar hur energi från ljus driver molekylär rörelse och transformation i ett protein som vanligtvis används i biologisk avbildning. En bättre förståelse av detta fenomen, vilket är avgörande för många processer som sker i biologiska system och material, kan göra det möjligt för forskare att finjustera ett systems egenskaper för att utnyttja dessa effekter, till exempel att använda ljus för att styra neuroner i hjärnan. Deras resultat publicerades i Vetenskap i januari.

Vrid och skrik

Människosyn, fotosyntes och andra naturliga processer skördar ljus med proteiner som innehåller molekyler som kallas kromoforer, varav många vrider sig när ljuset träffar dem. Kännetecknet för denna vridande rörelse, kallad fotoisomerisering, är att en del av molekylen roterar runt en viss kemisk bindning.

"Något med proteinmiljön styr denna mycket specifika och viktiga process, "säger Steven Boxer, en biofysisk kemist och Stanford -professor som övervakade forskningen. "En möjlighet är att fördelningen av atomer i molekylrummet blockerar eller tillåter rotation kring varje kemisk bindning, känd som den steriska effekten. Ett alternativ har att göra med tanken att när molekyler med dubbelbindningar upphetsas, det finns en avgiftsskiljning, och så kan de omgivande elektriska fälten gynna rotationen av en bindning framför en annan. Detta kallas elektrostatisk effekt. "

En annan låt

För att få veta mer om denna process, forskarna tittade på grönt fluorescerande protein, ett protein som ofta används vid biologisk avbildning vars kromofor kan reagera på ljus på ett antal sätt som är känsliga för dess lokala miljö inom proteinet, producerar fluorescerande ljus i olika färger och intensiteter.

Stanford doktorander Matt Romei och Chi-Yun Lin, som ledde studien, stämde de elektroniska egenskaperna hos kromoforen i proteinet genom att införa kemiska grupper som systematiskt adderade eller subtraherade elektroner från kromoforen för att konstruera en elektrisk fälteffekt. Sedan mätte de hur detta påverkade kromoforns vridrörelse.

Med hjälp av medförfattaren Irimpan Mathews, en forskare vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), forskarna använde en röntgenteknik som kallas makromolekylär kristallografi vid SSRL strållinjer 7-1, 12-2 och 14-1 för att kartlägga strukturerna för dessa avstämda proteiner för att visa att dessa förändringar hade liten effekt på atomstrukturen hos kromoforen och omgivande protein. Sedan, använder en kombination av tekniker, de kunde mäta hur förändringar i kromoforns elektronfördelning påverkade var rotationen inträffade när den träffades av ljus.

"Tills nu, merparten av forskningen om fotoisomerisering i detta protein har antingen varit teoretisk eller fokuserat på den steriska effekten, ”Romei säger.” Denna forskning är en av de första som har undersökt fenomenet experimentellt och visat vikten av den elektrostatiska effekten. När vi plottade uppgifterna, vi såg dessa riktigt fina trender som tyder på att justering av kromoforns elektroniska egenskaper har en enorm inverkan på dess bindningsisomeriseringsegenskaper. "

Slipverktyg

Dessa resultat föreslår också sätt att designa ljuskänsliga proteiner genom att manipulera miljön runt kromoforen. Lin tillägger att samma experimentella tillvägagångssätt skulle kunna användas för att studera och kontrollera den elektrostatiska effekten i många andra system.

"Vi försöker ta reda på principen som styr denna process, "Säger Lin." Med hjälp av det vi lär oss, vi hoppas kunna tillämpa dessa koncept för att utveckla bättre verktyg inom områden som optogenetik, där du selektivt kan manipulera nerver för att leda till vissa funktioner i hjärnan. "

Boxer tillägger att tanken att de organiserade elektriska fälten inom proteiner är viktiga för många biologiska funktioner är ett framväxande koncept som kan vara av intresse för en bred publik.

"Mycket av arbetet i vårt labb fokuserar på att utveckla metoder för att mäta dessa fält och koppla dem med funktion som enzymatisk katalys, " han säger, "och vi ser nu att fotoisomerisering passar in i detta ramverk."