Kristallmaneten simmar utanför kusten i Pacific Northwest och kan lysa upp vattnet när den störs. Den glöden kommer från proteiner som absorberar energi och sedan släpper den som ljusa blixtar.

För att spåra många av livets aktiviteter, biologer tog ett ledtråd från samma manet.

Forskare samlade ett av proteinerna som finns i havsdjuren, grönt fluorescerande protein (GFP), och konstruerade en molekylär ljusströmbrytare som skulle lysa eller förbli mörk beroende på specifika experimentella förhållanden. De glödande etiketterna är fästa på molekyler i levande celler så att forskare kan lyfta fram dem under avbildningsexperiment. De använder dessa fluorescerande markörer för att förstå hur en cell reagerar på förändringar i sin miljö, identifiera vilka molekyler som interagerar inom en cell och spåra effekterna av genetiska mutationer.

Forskare har studerat GFP och andra fluorescerande proteiner i årtionden för att bättre förstå deras glödande verkan och förbättra deras funktion i vetenskapliga studier, men de har aldrig kunnat observera de ultrasnabba förändringarna som sker mellan "av" och "på" tillstånd förrän nu.

I ett nyligen genomfört experiment vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, ett forskarlag använde ljus, ultrasnabba röntgenpulser från SLAC:s röntgenfria elektronlaser för att skapa en höghastighetsfilm av ett fluorescerande protein i aktion. Med den informationen, forskarna började designa en markör som växlar lättare, en kvalitet som kan förbättra upplösningen vid biologisk avbildning.

"Vi tror att detta tillvägagångssätt kommer att öppna en värld av möjligheter att skräddarsy fluorescerande proteiner, säger Martin Weik, forskare vid Institutionen för strukturbiologi i Grenoble, Frankrike och en av författarna till publikationen. "Vi har inte bara strukturen hos det fluorescerande proteinet, men nu kan vi se vad som händer mellan det ena statiska tillståndet och det andra."

Naturkemi publicerade studien den 11 september.

Filma en Molecular Light Switch

För att observera dessa mellanliggande tillstånd, forskarna initierade en fotokemisk reaktion i det fluorescerande proteinet med en optisk laser vid instrumentet Coherent X-ray Imaging vid Linac Coherent Light Source, följt av röntgenbilder vid distinkta tidsfördröjningar. Den optiska lasern ger energi i form av fotoner, efterlikna vad som händer i naturen.

"Atomer rör sig runt i den fotoaktiva platsen för molekylen som ett resultat av absorption av en foton, säger Sebastien Boutet, SLAC-forskare och medförfattare till artikeln. "Denna strukturella förändring förvandlar proteinet från ett mörkt tillstånd till ett ljusemitterande (fluorescerande) tillstånd."

Det finns en stor mängd litteratur som beräknar vad som kan hända mellan de två staterna, men ingen som studerade proteinet kunde se de strukturella förändringarna i switchen när fotonen absorberas. Molekylväxlingen var alldeles för snabb för traditionella röntgentekniker.

I den här studien, femtosekundsröntgenpulserna som genererades av LCLS – som anländer på bara miljondelar av en miljarddels sekund – gjorde att teamet kunde skapa stoppbilder av processen med extremt nära intervall efter att proteinerna aktiverats av den optiska lasern.

En dörr halvöppen

Höghastighetsbilderna användes för att skapa en film från mörkt tillstånd, och gav forskarna insikter som de använde för att designa mer effektiva omkopplingsbara ljusemitterande proteiner. De hittade en ledtråd till den tid molekylerna spenderade mellan fluorescerande och icke-fluorescerande tillstånd.

"Efter en pikosekund, och under en mycket kort tid, denna molekylära omkopplare har fastnat mellan på och av, säger Ilme Schlichting, forskare vid Max-Planck-institutet i Heidelberg, Tyskland och en av författarna till publikationen. "Folk har förutspått detta, men att faktiskt visualisera dess struktur är extremt spännande."

"Det är som om det finns en dörr och den är varken stängd eller helt öppen; den är halvöppen, " säger hon. "Och nu lär vi oss vad som kan gå genom dörren, vad kan blockera det och hur det fungerar i realtid."

I den här studien, forskarna fann att en aminosyra blockerade dörren och hindrade strömbrytaren från att vända så lätt som möjligt.

Forskarna förkortade aminosyran i en muterad version av det fluorescerande proteinet. Denna konstruerade version bytte lättare och gav bättre kontrast. Dessa egenskaper gör det möjligt för forskare att observera cellulär aktivitet med större precision.

"Kontrast är viktigt vid bildbehandling. Det är som på en TV-skärm, var kan man se den bästa bilden, du vill att det mörka ska vara extremt mörkt och att färgen ska vara superljus och färgglad, säger Jacques-Philippe Colletier, en forskare vid Institutet för strukturbiologi som bidrog till forskningen.

Denna nya molekylära film med de manetinspirerade proteinerna lyser upp vägen för att fånga fler av livets mikroskopiska detaljer. Teamet kommer att fortsätta att finjustera proteinet för andra önskade egenskaper som gör det idealiskt för "superupplösningsmikroskopi, "en typ av ljusmikroskopi där forskare kan se upplysta detaljer i celler som inte går att särskilja med konventionella ljusmikroskopimetoder.