Forskare har använt den kraftfulla röntgenlasern vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory för att göra de första ögonblicksbilderna av en kemisk interaktion mellan två biomolekyler - en som vänder en RNA "switch" som reglerar produktion av proteiner, arbetshästens molekyler i livet.

Resultaten, publicerad idag i Natur , visa den spelförändrande potentialen för röntgenfrielektronlasrar, eller XFEL, för att studera RNA, som styr proteintillverkning i cellen, fungerar som det primära genetiska materialet i retrovirus som HIV och spelar också en roll i de flesta former av cancer.

Och eftersom just denna typ av RNA -switch, känd som en riboswitch, finns bara i bakterier, en djupare förståelse av dess funktion kan erbjuda ett sätt att stänga av proteinproduktion och döda skadliga bakterier utan att orsaka biverkningar hos de människor de infekterar.

"Tidigare experiment på SLAC:s röntgenlaser har studerat biologiska reaktioner som fotosyntes som utlöses av ljus. Men det här är det första som observerar ett som utlöses av den kemiska interaktionen mellan två biomolekyler i realtid och i atomskala, "sa Yun-Xing Wang, en strukturbiolog vid National Cancer Institute's Center for Cancer Research som ledde det internationella forskargruppen.

"Detta visar verkligen den unika förmågan som röntgenfrielektronlasrar erbjuder att ingen aktuell teknik, eller någon annan teknik i horisonten, kan göra. Det är som om du har en kamera med en mycket snabb slutartid, så att du kan fånga varje drag av biomolekylerna i aktion. "

Experimenten utfördes vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), en DOE Office of Science User Facility. De är de första som demonstrerar hur XFEL kan ta ögonblicksbilder och eventuellt göra filmer av RNA och andra biomolekyler när de kemiskt interagerar - och ger en glimt av grundläggande funktioner i cellen som inte kan erhållas på något annat sätt.

Ser RNA Shape Shifting

RNA är en viktig del av det genetiska materialet i alla levande celler. Den finns i flera typer som arbetar tillsammans för att styra produktionen av proteiner genom cellens ribosomer, enligt ritningar kodade i DNA.

Men både DNA och RNA innehåller också omfattande regioner som inte kodar för något protein - den så kallade genetiska "mörka materien". Forskare trodde i många år att dessa regioner inte gjorde någonting. Nu vet de att de spelar en viktig roll för att bestämma var och när gener slås på och av och annars finjusterar deras funktion. De allra flesta cancerformer beror på mutationer i dessa icke-kodande regioner, Wang sa, så att förstå hur dessa regioner fungerar är viktigt för både cancerforskning och grundläggande biologi.

Dock, att ta reda på vad de icke-kodande RNA-regionerna gör är svårt. RNA -molekyler är vingliga och flexibla, så det är svårt att införliva dem i de stora kristaller som vanligtvis behövs för att studera deras atomstruktur vid röntgenljuskällor.

LCLS tar bort denna barriär genom att låta forskare få strukturinformation från mycket mindre, nanoserade kristaller, som är mycket lättare att göra. Dess kraftfulla röntgenlaserpulser, en miljard gånger ljusare än någonsin tidigare, är så korta att de samlar in data från varje kristall på några miljondelar av en miljarddel av en sekund, innan skador från röntgenstrålarna sätter in.

Wangs team studerade en riboswitch från Vibrio vulnificus, en bakterie relaterad till den som orsakar kolera. Riboswitch sitter i en lång sträng av messenger -RNA (mRNA), som kopierar DNA:s instruktioner för att göra ett protein så att de kan läsas och utföras av ribosomen. Brytaren fungerar som en termostat som reglerar proteinproduktionen.

I detta fall, mRNA styr produktionen av ett protein som i sin tur hjälper till att producera en liten molekyl som kallas adenin. När det finns för mycket adenin i bakteriecellen, adeninmolekyler går in i fickorna i riboswitcharna och vänder riboswitcharna till en annan form, och detta ändrar hastigheten på protein- och adeninproduktion.

Första stillbilder av en elegant film

För LCLS -experimenten, forskarna tillverkade nanokristaller som införlivade miljontals kopior av riboswitch och blandade dem med en lösning innehållande adeninmolekyler. Varje kristall var så liten att adenin snabbt och enhetligt kunde tränga in i varje hörn av den, gå in i riboswitch -fickor och vänd dem nästan omedelbart, som om de vore miljontals synkroniserade simmare som utför ett enda felfritt drag.

Forskarna tog ögonblicksbilder av denna interaktion genom att slå kristallerna med röntgenlaserpulser med noggrant tidsinställda intervall efter att blandningen startade. Detta gav dem den första glimten av ett flyktigt mellanstadium i processen, som inträffade 10 sekunder in. Separat, de fick de första bilderna av riboswitch i dess initial, tillstånd med tom ficka, och upptäckte att den fanns i två lite olika konfigurationer, endast en av dem deltar i bytet.

Forskarna blev förvånade över att upptäcka att den plötsliga förändringen i riboswitcharnas form var så dramatisk att den förändrade formen på hela kristallen, för. Normalt skulle en stor förändring som denna knäcka kristallen och förstöra experimentet. Men eftersom dessa kristaller var så små höll de ihop, så röntgenlasern kan fortfarande få strukturell information från dem.

"För mig är det fortfarande ett mysterium hur kristallen lyckades göra det, "sa Soichi Wakatsuki, professor vid SLAC och vid Stanford School of Medicine och chef för laboratoriets biovetenskapsavdelning, som inte ingick i forskargruppen. "Detta öppnar faktiskt många nya möjligheter och ger oss ett nytt sätt att titta på hur RNA och proteiner interagerar med små molekyler, så det här är väldigt spännande. "