Ett ljuskänsligt protein från ett saltälskande, svavelbildande mikrobe har visat sig vara nyckeln till att utveckla metoder som är väsentliga för avancerad upptäckt av läkemedel, förstå människosyn och andra biomedicinska tillämpningar. I en recension som publicerades i veckan i Strukturell dynamik , fysikern Marius Schmidt från University of Wisconsin-Milwaukee presenterar en historia av årtionden av forskning om denna mikrobe och de många nya tekniker som har möjliggjort dessa applikationer.

1985, forskare fann att den lila svavelbakterien Halorhodospira halophila producerade ett blått ljuskänsligt protein som kallas fotoaktivt gult protein (PYP). Strukturella förändringar inom PYP -proteinets vändningar och veck fungerar som signaler som hjälper bakterier att reagera på stimuli. Dessa strukturella förändringar, konserverade i många liknande proteiner, är också nödvändiga för funktionen hos olika andra proteiner, såsom rhodopsinpigmentet som är ansvarigt för synljus i det mänskliga ögat.

När den utlöses av en blixt av blått ljus, PYP genomgår en rad strukturella förändringar som sker inom millisekunder, bildar många mellanliggande strukturer längs vägen. Under nästan tre decennier, forskare har använt tekniker som spektroskopi och synkrotronbaserade mätningar för att identifiera varje mellanprodukt som bildas inom denna lilla tidsskala.

Att kunna upptäcka dessa reaktionsmellanprodukter är ett viktigt steg i läkemedelsutvecklingen eftersom samma metoder sedan kan tillämpas för att studera reaktioner som är av biomedicinsk betydelse, Schmidt förklarade.

"Till exempel, du kan se hur ett cancerrelaterat enzym som katalyserar en specifik reaktion fungerar, "sa han." Varje ny mellanliggande struktur som vi identifierar kan vara ett potentiellt läkemedelsmål för att manipulera den reaktionen. "

Till skillnad från dessa andra proteiner, dock, PYP är liten och lätt att producera i stora mängder, vilket gör den idealisk för experimentella studier av proteinstruktur. 1995, forskare bestämde strukturen för PYP -proteinet med kristallografi med 1,4 ångströmupplösning - det är ungefär storleken på enskilda atomer. I början, de flesta undersökningar använde spektroskopibaserade metoder för att förstå de snabba ljuskatalyserade strukturförändringarna i PYP.

Tidiga strukturbaserade undersökningar förlitade sig på synkrotron- och synkrotronbaserade strållinjer, som använder en enda röntgenpuls, som ljuskällor för att studera proteinkristaller. Dessa experiment producerade diffraktionsmönster för att avslöja reaktionsmellanprodukter som bildade bara 100 pikosekunder, mindre än en miljarddels sekund, efter reaktionen fram till slutet av fotocykeln. Men att observera tidigare tidpunkter var en teknisk utmaning.

Den första tidsserien med data avslöjade mellanprodukter vid fasen 100 nanosekunder till 100 millisekunder i PYP -reaktionen, men utgjorde också en analytisk utmaning. Eftersom mellanprodukter bildas och förfaller så snabbt, ett prov vid en given punkt bär en blandning av mellanliggande strukturer. Hur kunde forskare skilja dem åt?

"Fram till början av 2000 -talet hur man löste upp denna blandning var ett olöst problem, "Sade Schmidt." Men PYP gav de första datamängderna från vilka man kan försöka göra detta. "

Lösningen härrörde från en komponentanalysmetod som kallas singular value decomposition (SVD), som har tillämpats på tidsupplöst kristallografi av Schmidt och hans kollegor.

"[SVD] kan bekvämt användas för att extrahera strukturen av rena mellanprodukter från en blandning, "Sa Schmidt." Det har verkligen visat sig vara en central metod för att analysera dessa data och den som har flest applikationer hittills. "

Fram till 2013, forskare hade klargjort PYP -fotocykeln med en upplösning på 100 pikosekunder; den snabbare tidsskalan visade sig gäckande. Tillkomsten av röntgenfri elektronlaser (XFEL), en ny typ av ljuskälla, hjälpte till att lösa detta problem. Genom att använda XFEL- och SVD -analysen, forskare har nu också identifierat tidigare processer, avslöjar det grundläggande, avgörande steg i cis- till trans-isomeriseringen av PYP på femtosekund- och picosekund-tidsskalorna.

Liknande reaktioner, som är avgörande för människors syn, uppstår också när ljus träffar retinalpigmentet rhodopsin. "Det hade varit super spännande att se denna isomerisering ske i realtid med XFEL, "Sa Schmidt." Om vi ​​kan se det i PYP, vi kan kanske visualisera det i rhodopsin också. PYP har visat sig vara en förebild för andra reaktioner som har cis-transisomerisering. "