Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har använt den schweiziska ljuskällan SLS för att registrera en molekylär energimaskin i funktion och på så sätt avslöja hur energiproduktionen vid cellmembranen fungerar. För detta ändamål utvecklade de en ny undersökningsmetod som skulle kunna göra analysen av cellulära processer betydligt effektivare än tidigare. De har nu publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskap .

I allt levande, strukturella förändringar i proteiner är ansvariga för många biokemiskt kontrollerade funktioner, till exempel energiproduktion vid cellmembran. Proteinet bakteriodopsin förekommer i mikroorganismer som lever på ytan av sjöar, strömmar, och andra vattendrag. Aktiveras av solljus, denna molekyl pumpar positivt laddade partiklar, protoner, från insidan till utsidan genom cellmembranet. När du gör detta, den ändrar ständigt sin struktur.

PSI-forskare kunde redan belysa en del av denna process vid frielektronröntgenlasrar (FEL) som SwissFEL. Nu har de även lyckats spela in den ännu okända delen av processen i en slags molekylär film. För detta tog man en metod som tidigare endast varit användbar vid FELs och vidareutvecklade den för användning vid Swiss Light Source SLS. Studien understryker synergin mellan de analytiska alternativen vid dessa två storskaliga forskningsanläggningar vid PSI. "Med den nya metoden på SLS, vi kan nu följa den sista delen av bakteriohodopsinets rörelse, där stegen är i millisekundsintervallet, " förklarar Tobias Weinert, tidningens första författare. "Med mätningar vid FELs i USA och Japan, vi hade redan mätt de två första delprocesserna innan SwissFEL togs i drift, " säger Weinert. "Dessa sker väldigt snabbt, inom femtosekunder till mikrosekunder." En femtosekund är en biljondels sekund.

För att kunna observera sådana processer, forskarna använder så kallad "pump-probe" kristallografi. Med denna metod, de kan ta ögonblicksbilder av proteinrörelser som sedan kan sättas ihop till filmer. För experimenten, proteiner förs till kristallform. En laserstråle, imiterar solljus, utlöser sekvensen av rörelser i proteinet. Röntgenstrålar som träffar provet efteråt ger diffraktionsbilder, som registreras av en högupplöst detektor. Från dessa, datorer genererar en bild av proteinstrukturen vid varje tidpunkt.

Filmen som skapats från mätningarna vid SLS visar hur strukturen hos bakteriohodopsinmolekylen förändras under de kommande 200 millisekunderna efter att den aktiverats av ljus. Med det, en fullständig så kallad "fotocykel" av molekylen har nu klarlagts.

Bacteriorhodopsin fungerar som en biologisk maskin som pumpar protoner inifrån cellen genom membranet till utsidan. Detta skapar en koncentrationsgradient vid cellmembranet. På dess yttre sida, det finns fler protoner än på dess inre sida. Cellen använder denna gradient för att få energi för sin metabolism genom att tillåta protoner någon annanstans att balansera ut de externa och interna olika koncentrationerna. Genom att göra så, cellen producerar ATP, en universell energikälla i levande varelser. Senare, bakteriorodopsin återställer koncentrationsgradienten.

"I den nya studien, vi kunde nu se de största strukturella förändringarna i realtid i en molekyl någonsin" - med "stort" menar vetenskapsmannen nio ångström, det är, en miljondel av tjockleken på ett människohår. Genom dessa strukturella förändringar, en lucka öppnas i proteinet där en kedja av vattenmolekyler bildas, och detta är ansvarigt för protontransporten genom cellmembranet. "Före oss, ingen hade någonsin observerat denna vattenkedja direkt, " konstaterar biokemisten glatt.

Dessa observationer möjliggjordes endast genom modifieringen av den metod som tidigare användes vid SwissFEL för användning vid SLS, och tack vare den nya högupplösta och snabba "Eiger"-detektorn hos SLS. Weinert är säker på att den nya metoden för undersökning med hjälp av synkrotroner som SLS kommer att inspirera forskning över hela världen. "Forskare kan använda den nya metoden och bli mycket effektivare, eftersom det i världen finns många fler synkrotroner än frielektronlasrar. Förutom det, du behöver färre proteinkristaller än vad som krävs för experiment vid FELs, ", tillägger Weinert.

Dock, för de mycket snabba molekylära processerna, och för att få särskilt skarpa bilder och exakta resultat, forskarna förlitar sig på SwissFEL. "Processerna i början av fotocykeln sker inom några femtosekunder. Det är bara möjligt att observera så snabba kemiska reaktioner vid FEL." Dessutom, strukturer kan spelas in med högre upplösning vid FELs. Eftersom så många fotoner träffar provet på en gång med linjäracceleratorn, detektorn kan fånga en extremt skarp bild.

Weinert betonar synergin mellan de två storskaliga forskningsanläggningarna:"På SwissFEL, endast en liten mängd stråltid är tillgänglig. Med måtten på SLS, vi kan i förväg se till att vårt experiment på SwissFEL kommer att bli framgångsrikt. Detta ökar effektiviteten."

Forskarna har nu publicerat resultaten av studien i tidskriften Vetenskap .