SLAC associerad personalforskare Thomas Joseph Lane vid instrumentet Coherent X-Ray Imaging (CXI) vid Linac Coherent Light Source (LCLS). Kredit:Miyuki Dougherty/SLAC National Accelerator Laboratory
Ett forskarlag vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory använder Linac Coherent Light Source (LCLS) för att studera ett enzym som finns i växter, bakterier och vissa djur som reparerar DNA-skador orsakade av solens ultravioletta (UV) ljusstrålar.
Genom att studera detta enzym, kallas DNA-fotolyas, med de ultraljusa och ultrasnabba pulserna från LCLS-röntgenlasern, forskare har äntligen möjlighet att se enzymet i aktion när det katalyserar en kemisk reaktion i realtid och på atomär skala för att lösa långvariga debatter om hur dessa enzymer fungerar. I sista hand, denna kunskap kan användas för att konstruera förbättrade syntetiska versioner av enzymer som driver avgörande reaktioner i biologiska system, eller att producera nya enzymer som inte finns i naturen.
"De biokemiska reaktionerna som utförs av enzymer är kärnan i levande varelsers anpassningsförmåga och effektivitet, " säger Thomas Joseph Lane, en associerad stabsforskare vid LCLS. "Men detaljerna om hur enzymer fungerar är gömda i kemiska processer som sker på extremt korta tidsskalor, ner till miljondelar av en miljarddels sekund, så vi behövde LCLS för att avslöja deras hemligheter."
En kraftfull reparationsmaskin
På bara några sekunder, ultraviolett ljus från solen kan skada DNA genom att skapa hundratals oönskade länkar i DNA:s dubbla helix. Dessa modifieringar gör det genetiska materialet skrymmande och oläsligt av DNA-replikeringsverktyg, leder till permanenta mutationer som kan orsaka cancer och andra sjukdomar om de inte repareras.
Men samma solljus som bär skadliga UV-strålar innehåller också blått ljus som kan inducera fotolyas för att snabbt reparera eventuella DNA-skador.
UV-ljus skapar skadliga länkar mellan atomer i DNA-byggstenen tymin. Ett enzym som kallas fotolyas, som utlöses av en annan ljusvåglängd, skär ut dem och reparerar skadan. Kredit:Dave Goodsell/PDB-101
Fotolyas tros vara en anledning till varför växter – som har timmars exponering för solen varje dag – är mindre mottagliga för UV-skador än människor, som saknar fotolyas. Människor och andra däggdjur måste falla tillbaka på alternativa DNA-reparationsmekanismer (eller undvika att gå ut i solen helt).
Använda en ultrasnabb röntgenkamera
Med LCLS, forskare har nu tillgång till några av de snabbaste och ljusaste röntgenlaserpulserna i världen för att studera hur levande varelser försvarar sig från UV-skador.
Tidigare i år, till exempel, ett team av vetenskapsmän ledda av Thomas Wolf, en associerad stabsforskare vid SLAC, använde LCLS för att se det första steget i en skyddsprocess som förhindrar UV-skador i DNA-byggstenen tymin.
"Innan LCLS, andra röntgenkameror var för långsamma, Lane förklarar. "Att försöka avbilda enzymer och andra proteiner exakt med dessa röntgenkällor skulle vara som att försöka ta en actionbild av Michael Phelps som simmar med en gammal kamera. Du skulle bara få några suddiga bilder över hela hans 100-yard fjärilsevenemang, vilket knappast skulle bli ett spännande eller informativt foto."
Men med LCLS, han säger, "Föreställ dig en serie högupplösta bilder i följd – du skulle kunna fånga varje droppe vatten och varje vridning av Phelps handled när han fjärilar. Det är vad LCLS låter oss göra när vi visualiserar enzymaktivitet."
Överst:En optisk mikroskopbild av kristalliserade fotolyasenzymer innan de undersöks av LCLS-röntgenlasern. Nederst:Ett röntgendiffraktionsmönster från fotolyaskristallerna. Dessa mönster, gjord av röntgenstrålar som interagerar med atomer i kristallen, används för att bestämma molekylens struktur. Kredit:Thomas Joseph Lane/SLAC National Accelerator Laboratory
Bygga bättre enzymer
I motsats till Wolfs experiment om hur DNA skyddar sig mot skador, Lanes team studerar hur fotolyas reparerar UV-skador när skyddsmekanismerna har misslyckats. Fotolyas kan kontrolleras med stor precision genom att exponera det för ljus, vilket gör det till ett idealiskt enzym att studera med lasergenererat ljus.
För att se fotolyas kemi i detalj, forskarna aktiverade enzymet med en noggrant kontrollerad ljuspuls från en laser. De exponerade sedan enzymet för den LCLS-genererade röntgenpulsen, skapa ett karakteristiskt röntgenspridningsmönster i en specialiserad detektor. Analysen av spridda röntgendata avslöjade kemiska och strukturella förändringar i enzymet på atomnivå och inträffade i en tidsskala av en miljondels miljarddels sekund.
Ett av de slutliga målen med att studera den enzymatiska DNA-reparationsprocessen är att konstruera syntetiska enzymer som efterliknar men är ännu bättre än de som finns i naturen.
"Det finns fortfarande några stora luckor i vår förståelse av hur enzymer fungerar, framhävs av det faktum att konstgjorda enzymer ännu inte har matchat naturens prestanda, " säger Lane. "Vi hoppas att våra experiment här på LCLS kommer att hjälpa oss att överbrygga dessa klyftor, för oss närmare att förstå och utnyttja den kemi som levande saker gör varje dag."
