I cellerna i varje levande organism - människor, fåglar, bin, rosor och till och med bakterier – proteiner vibrerar med mikroskopiska rörelser som hjälper dem att utföra viktiga uppgifter, från cellreparation till fotosyntes.

Dessa livgivande skakningar är ämnet för en studie som publicerades den 4 mars i Naturkommunikation .

Ett team ledd av University at Buffalo fysiker Andrea Markelz rapporterar att de har utvecklat en metod för att snabbt mäta proteiners unika vibrationer.

Framstegen kan öppna nya möjligheter inom biologisk forskning, som att studera proteiners mikroskopiska rörelser mer effektivt, eller utnyttja vibrationsmönster som "fingeravtryck" för att snabbt avgöra om specifika proteiner finns i ett laboratorieprov.

Forskare kan också använda den nya tekniken för att snabbt bedöma om läkemedel som är utformade för att hämma ett proteins vibrationer fungerar. Detta skulle kräva jämförelse av vibrationssignaturerna hos proteiner före och efter appliceringen av inhibitorer.

"Proteiner är eleganta och robusta nanomaskiner som naturen har utvecklat, säger Markelz, Ph.D., professor i fysik vid UB College of Arts and Sciences. "Vi vet att naturen använder molekylära rörelser för att optimera dessa maskiner. Genom att lära sig de underliggande principerna för denna optimering, vi kan utveckla ny bioteknik för medicin, energiskörd och till och med elektronik."

Katherine A. Niessen, Ph.D., en UB-forskare som nu är utvecklingsforskare vid Corning, är första författare till tidningen, som inkluderar bidrag från forskare vid UB Institutionen för fysik, UB Institutionen för strukturbiologi vid Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences vid UB, Hauptman-Woodward Medical Research Institute, det nationella hjärtat, Lunga, och Blood Institute och University of Wisconsin-Milwaukee. Arbetet finansierades av National Science Foundation och U.S. Department of Energy.

Mätning av proteinvibrationer snabbare

Markelz är en ledande expert på studier av proteinvibrationer. Dessa rörelser gör det möjligt för proteiner att ändra form snabbt så att de lätt kan binda till andra proteiner - en process som är avgörande för normal biologisk funktion.

Många år sedan, Markelz labb utvecklade en teknik som kallas anisotropisk terahertzmikroskopi (ATM) för att observera proteinvibrationer i detalj, inklusive energi och riktning för rörelser.

I bankomat, forskare lyser terahertz-ljus på en molekyl. Sedan, de mäter frekvenserna av ljus som molekylen absorberar. Detta ger insikt i molekylernas rörelse eftersom molekyler vibrerar med samma frekvens som ljuset de suger upp.

Den nya studien i Naturkommunikation rapporterar att Markelz team har förbättrat ATM genom att övervinna en av metodens begränsningar:behovet av att mödosamt rotera och centrera proteinprover flera gånger i ett mikroskop för att samla in tillräckligt med användbar data.

Nu, "Istället för att rotera proteinprovet, vi roterar polarisationen av ljuset vi lyser på provet, " säger Markelz. Med denna justering, det tar bara fyra timmar att göra användbara mätningar – sex gånger snabbare än tidigare. Den nya tekniken genererar också mer detaljerad data.

En känslig "fingeravtrycksteknik".

Med den nya metoden, Markelz och kollegor mätte vibrationerna hos fyra olika proteiner, genererar ett igenkännbart vibrations-"fingeravtryck" för var och en som bestod av molekylens unika ljusabsorptionsmönster.

Proteinerna som studerades var kycklingäggvitelysozym (ett väl undersökt protein på fältet), fotoaktiva gula proteiner (tänks bidra till att skydda vissa fotosyntetiserande bakterier från ultraviolett ljus), dihydrofolatreduktas (ett läkemedelsmål för antibiotika och cancer), och RNA G-quadruplexes (tros vara involverade i vitala cellulära funktioner såsom genuttryck).

Den nya metoden producerade distinkta ljusabsorptionsspektra för kycklingäggvita lysozymer som rörde sig fritt jämfört med kycklingäggvita lysozymer som var bundna av en förening som hämmar lysozymernas funktion - och förändrar deras vibrationer. Detta visar teknikens användbarhet för att snabbt identifiera närvaron av en fungerande inhibitor.