Att studera nanostrukturer i verkliga miljöer, Berkeley Lab -forskare har kombinerat teoretiska och experimentella metoder för att skymta in i ett proteins interaktion med enkla salter i vatten. Aktiverad av röntgenabsorptionssimuleringsprogram som utvecklats vid Berkeley Labs Molecular Foundry, dessa fynd kastar nytt ljus över hur salter påverkar proteinstrukturen på atomnivå.
Traditionella kristallografiska tekniker, såsom röntgendiffraktion, ge en profil av beställda material med statiska strukturer. Dock, för dynamiska eller komplexa system där atomstrukturen snabbt förändras, mer sofistikerade metoder behövs. Nu, Berkeley Lab-forskare har tillämpat röntgenabsorptionsspektroskopi för att studera ett modellprotein, triglycin - en kort kedja med tre molekyler av den enklaste aminosyran, glycin. Genom att simulera denna molekyls röntgenabsorptionsspektrum har teamet visat hur dess kedja knäcker och räcker ut som svar på joner i lösning.
"Att titta på en molekyl i lösning är som att titta på en marionett - du kan se den böja sig som svar på att vätebindningar bildas och bryts, ”Sa David Prendergast, en personalvetare i Theory of Nanostructures Facility at the Molecular Foundry. ”En konkret kunskap om hur joner påverkar detta beteende kommer från att använda molekylära dynamiska simuleringar, som visar ihållande skillnader i struktur på nanosekundernas tidsskalor. Från dessa data kan vi generera röntgenabsorptionsspektra som sedan kan jämföras med experimentella resultat. ”
I ett specialiserat röntgenabsorptionsexperiment som kallas nära kanten röntgenabsorbering fin struktur (NEXAFS), röntgenstrålar används för att undersöka den kemiska bindningen och miljön för specifika element i en molekyl eller nanostruktur, såsom kväveatomerna i en triglycinmolekyl. Tillsammans med en flytande mikrojet -teknik utvecklad på Berkeley Labs, NEXAFS har tidigare använts för att undersöka hur proteiner löser sig och kristalliseras i närvaro av olika joner.
Prendergasts programvara kan nu simulera NEXAFS -data genom att i genomsnitt ta en serie ögonblicksbilder tagna från en molekylär dynamiksimulering av en given molekyl. Denna programvara är ett kritiskt verktyg för att tolka NEXAFS -data från komplexa, dynamiska system, eftersom sondtiderna i dessa mätningar är för långsamma - sekunder snarare än nanosekunder - för att avslöja strukturella skillnader på nanoskala.
"Tidigare studier från vår grupp har visat att utvecklingen av röntgenabsorptionsspektroskopi av flytande mikrostrålar ger en ny atomkänslig sond av interaktionerna mellan vattenjoner, men det är tillkomsten av denna nya teori som ger den första tillförlitliga molekylära tolkningen av dessa data, Sade Richard Saykally, en kemiker i Berkeley Lab och professor i kemi vid University of California i Berkeley. "Här ser vi denna nya kombination av teori och experiment tillämpas på ett av de viktigaste problemen inom biofysisk kemi."
Prendergast säger att hans teknik för molekylär dynamik kan användas för att modellera röntgenspektra av ett biologiskt system med känd struktur för att bestämma dess lokala interaktioner, vad som får den att bilda en viss struktur, och varför det tar en viss konformation - allt genom att simulera spektra för en serie enskilda ögonblicksbilder och jämföra med experimentella resultat. Dessa simuleringar är beräkningsintensiva och förlitar sig starkt på den storskaliga superdatorinfrastrukturen från Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
"Även om dessa effekter är en grundläggande del av naturen, de är fortfarande dåligt förstådda, ”Sa Craig Schwartz, en forskare som arbetar med Prendergast och Saykally, vars examensarbete ledde till denna publikation. “Den experimentella känsligheten hos NEXAFS, tillsammans med ett genombrott i teorin, gav oss ny inblick i hur dessa molekyler interagerar. ”
Forskarna förutser efterfrågan från andra grupper som utforskar vatten (eller andra lösningsmedel) interaktioner, såväl som mjuka material (t.ex. polymerer) och oorganiska material (oxider och metallytor) som är direkt relevanta för energirelaterade tillämpningar vid katalys, batteriteknik och solceller. Dessutom, när röntgenfria elektronlaserkällor blir tillgängliga för forskare, en rikare experimentell datamängd kommer att finnas tillgänglig för att öka teoretiska fynd.
