Forskare som stöds av Swiss National Science Foundation har lyckats använda röntgenstrålar för att noggrant observera en fotosyntesreaktion och producera en film av händelsen. Resultaten hjälper till att förstå liknande processer i det mänskliga ögat. Tack vare den nya SwissFEL -partikelacceleratorn vid Paul Scherrer -institutet, vi kan förvänta oss fler upptäckter av detta slag.

Växter och alger är inte ensamma om att genomgå fotosyntes. Vissa bakterier använder också energi från solljus för att växa och föröka sig. Forskare som stöds av Swiss National Science Foundation (SNSF) har nu demonstrerat processer på atomnivå på jobbet i den ljusdrivna proteinpumpen av lila halobakterier. Därvid, forskarna har förtydligat hur pumpen fungerar, som länge har varit en debattfråga. Resultaten hjälper också till att bättre förstå liknande fotoreceptorer för detta protein i det mänskliga ögat.

Med hjälp av en ny teknik, en internationell grupp forskare från Paul Scherrer Institute (PSI), Japan, Sverige och Frankrike fångade fysiska och kemiska händelser som inträffade på en tusendels av en miljonedel av en sekund (nanosekund). Detta gjorde det möjligt för forskarna att producera en film som visar processer på atomnivå i arbetet i pumpen-kallad bakteriorhodopsin-efter att den aktiverats av inkommande ljus.

För att få inspelningarna krävs att man undersöker cirka 2 miljoner små proteinkristallprover med den fria elektronlasern SACLA i Japan. FEL träffar proverna med mycket kort, kraftfulla röntgenstrålar, fånga exakta stunder. "Det är som ett stroboskopljus, "säger Jörg Standfuss, en biofysiker och chef för den seriella kristallografiska forskargruppen. "Till skillnad från en ficklampa, det avslöjar rörelser i mörkret. "De ultrakorta ljuspulserna gör det möjligt att registrera data innan proverna förstörs av de kraftfulla röntgenstrålarna. Tack vare den nya SwissFEL-anläggningen vid PSI i Würenlingen, som öppnade den 5 december 2016, forskare vid schweiziska lärosäten behöver inte längre gå halvvägs runt om i världen för att genomföra sina experiment.

Molekylär krycka för defekta fotoreceptorer

Bakteriepumpens resultat har applikationspotential inom olika områden. Till exempel, neurobiologer använder liknande pumpar för att specifikt slå på och av vissa nervceller i hjärnan hos försöksdjur (optogenetik).

SNSF-stödda forskargrupper vid PSI har studerat fotoreceptorer i det mänskliga ögat under en tid. "Vision är vårt viktigaste sinne. Även vår inre klocka styrs av dessa receptorer i ögat, "säger Gebhart Schertler, biokemist och chef för sektionen för biologi och kemi. Mutationer i dessa ljusreceptorer har effekter som är jämförbara med vad som händer i bakteriepumparna. Milda fall kan orsaka nattblindhet, medan andra kan leda till degeneration av näthinnan (retinitis pigmentosa), som kulminerade i total blindhet. "Olika terapeutiska tillvägagångssätt har redan föreslagits, men hittills har ingen kommit på marknaden, säger Schertler.

Resultaten av forskningsarbete vid PSI från tidigare analyser av dessa fotoreceptorer ledde till ett samarbete med Roche. Målet är att hitta och utveckla föreningar som kan fungera som en krycka för att kompensera de defekta näthinneproteinerna. Preliminära resultat av denna undersökning kommer att publiceras snart. Även om det fortfarande kan ta lång tid att utveckla ett verkligt läkemedel, några mycket lovande resultat har redan uppnåtts.