Olika 3D-strukturer av biologiska molekyler, till exempel en dipeptid med två distinkta konformationer som visas som röda och blå, kan rumsligt separeras genom att skjuta en kall molekylär stråle genom ett starkt elektriskt fält. De separerade strukturerna kan sedan undersökas och avbildas individuellt. Kredit:Nicole Teschmit
Ett team av forskare vid DESY och Universität Hamburg har nått ytterligare en milstolpe mot direkt avbildning av enskilda biomolekyler:gruppen ledd av Jochen Küpper från Center for Free-Electron Laser Science utvecklade en ny experimentell teknik som möjliggör separation av olika peptidstrukturer i för att analysera och avbilda dem separat. Forskarna rapporterar sin metod, som i slutändan kan tillämpas i olika experiment, i den vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie International Edition .
Peptider är en sorts kortversion av proteiner, livets arbetshästar. Proteiner täcker en mängd olika funktioner i organismen:De reglerar funktionaliteten hos levande celler och är ansvariga, till exempel, för reproduktion av celler eller transport av syre. Denna omfattande funktionalitet möjliggörs av deras unika 3-dimensionella struktur. Förändringar i denna struktur kan dramatiskt förändra proteinfunktionen, kan till och med leda till allvarliga sjukdomar. Den 3-dimensionella proteinstrukturen bestäms inte bara av aminosyrornas sekvens, men också genom intramolekylära interaktioner såsom vätebindning mellan olika delar av molekylen.
En aktuell metod för att studera sådana interaktioner i detalj är att studera isolerade små peptider, det vill säga kedjor av enstaka aminosyror, i gasfasen. Dock, även enstaka aminosyror och små peptider kan ordna sig i olika 3-dimensionella strukturer, så kallade konformers. Detta faktum gör en detaljerad analys av dessa viktiga biomolekylära byggstenar ganska komplicerad, eftersom tekniker som röntgendiffraktion kräver identiska 3-dimensionella strukturer för att producera strukturella data vid atomär upplösning.
"Vårt mål var därför att utveckla nya experimentella tekniker som producerar peptidprover i gasfas med identiska 3-dimensionella strukturer, säger Nicole Teschmit från cluster of excellence CUI (Centre for Ultrafast Imaging) vid Universität Hamburg, första författare till studien. Teamet använde laserdesorption för att producera mycket kalla molekylära strålar av intakta dipeptidmolekyler, som sedan identifierades med laserspektroskopi. Vid minus 271 grader Celsius, de olika konformatorerna omvandlas inte längre till varandra i en sådan kall molekylstråle. För att rumsligt separera de olika strukturerna, forskarna använde starka elektriska fält som interagerar med de specifika dipolmomenten för de olika konformerna och avleder dem i olika utsträckning. Med denna metod lyckades forskarna nu helt rumsligt separera de två konformatorerna av den prototypiska dipeptiden Ac-Phe-Cys-NH 2 och framställning av rena prover av endera konformatorn i gasfasen.
"Vi lyckades för första gången demonstrera kalla molekylära strålar av konformerutvalda peptider. Sådana prover kommer att möjliggöra analys av konformerspecifika processer med allmänna tekniker som vanligtvis inte kan skilja mellan strukturer, " säger medförfattaren Daniel Horke. Dessutom, de låga temperaturerna hos de genererade molekylära ensemblerna möjliggör stark fixering av molekylerna i rymden. Detta är en förutsättning för inspelning av atomiskt upplösta bilder av biomolekyler, som Küpper påpekar:"Vår metod är en milstolpe på vägen mot en direkt strukturell avbildning av biologiska molekyler."
