De kristalkwal zwemt voor de kust van de Pacific Northwest en kan bij verstoring het water verlichten. Die gloed komt van eiwitten die energie absorberen en deze vervolgens als heldere flitsen afgeven.

Om veel van de activiteiten van het leven te volgen, biologen namen een richtsnoer van deze zelfde kwal.

Wetenschappers hebben een van de eiwitten in de zeedieren verzameld, groen fluorescerend eiwit (GFP), en ontwierp een moleculaire lichtschakelaar die zou gloeien of donker blijven, afhankelijk van specifieke experimentele omstandigheden. De gloeiende labels zijn bevestigd aan moleculen in levende cellen, zodat onderzoekers ze kunnen markeren tijdens beeldvormingsexperimenten. Ze gebruiken deze fluorescerende markers om te begrijpen hoe een cel reageert op veranderingen in zijn omgeving, identificeren welke moleculen interageren in een cel en de effecten van genetische mutaties volgen.

Onderzoekers hebben decennia lang GFP en andere fluorescerende eiwitten bestudeerd om hun gloeiende werking beter te begrijpen en hun functie in wetenschappelijke studies te verbeteren, maar ze hebben tot nu toe nooit de ultrasnelle veranderingen kunnen waarnemen die optreden tussen "uit" en "aan".

In een recent experiment uitgevoerd in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, een onderzoeksteam gebruikte heldere, ultrasnelle röntgenpulsen van SLAC's röntgenvrije-elektronenlaser om een ​​high-speed film te maken van een fluorescerend eiwit in actie. Met die informatie, de wetenschappers begonnen een marker te ontwerpen die gemakkelijker schakelt, een kwaliteit die de resolutie tijdens biologische beeldvorming kan verbeteren.

"We denken dat deze aanpak een wereld van mogelijkheden zal openen om fluorescerende eiwitten op maat te maken, " zegt Martin Weik, wetenschapper aan het Instituut voor Structurele Biologie in Grenoble, Frankrijk en een van de auteurs van de publicatie. "We hebben niet alleen de structuur van het fluorescerende eiwit, maar nu kunnen we zien wat er gebeurt tussen de ene statische toestand en de andere."

Natuurchemie publiceerde de studie op 11 september.

Een moleculaire lichtschakelaar filmen

Om deze tussenliggende toestanden te observeren, de wetenschappers begonnen een fotochemische reactie in het fluorescerende eiwit met een optische laser bij het Coherent X-ray Imaging-instrument bij de Linac Coherent Light Source, gevolgd door röntgenfoto's met duidelijke vertragingen. De optische laser levert energie in de vorm van fotonen, nabootsen van wat er in de natuur gebeurt.

"Atomen bewegen rond in de fotoactieve plaats van het molecuul als gevolg van absorptie van een foton, " zegt Sébastien Boutet, SLAC-wetenschapper en co-auteur van het artikel. "Deze structurele verandering verandert het eiwit van een donkere staat naar een lichtemitterende (fluorescerende) staat."

Er is een enorme hoeveelheid literatuur die berekent wat er kan gebeuren tussen de twee staten, maar niemand die het eiwit bestudeerde, kon de structurele veranderingen in de schakelaar zien terwijl het foton wordt geabsorbeerd. De moleculaire omschakeling was gewoon te snel voor traditionele röntgenbeeldvormingstechnieken.

In dit onderzoek, de femtoseconde röntgenpulsen gegenereerd door LCLS - die in slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde arriveerden - stelde het team in staat om stop-actiebeelden van het proces te maken met een extreem korte interval nadat de eiwitten waren geactiveerd door de optische laser.

Een deur half open

De high-speed snapshots werden gebruikt om een ​​film te genereren vanuit de donkere staat, en gaf de onderzoekers inzichten die ze gebruikten om efficiëntere schakelbare lichtgevende eiwitten te ontwerpen. Ze vonden een aanwijzing in de tijd die de moleculen doorbrachten tussen fluorescerende en niet-fluorescerende toestanden.

"Na een picoseconde, en voor een zeer korte tijd, deze moleculaire schakelaar zit vast tussen aan en uit, " zegt Ilme Schlichting, wetenschapper aan het Max-Planck Instituut in Heidelberg, Duitsland en een van de auteurs van de publicatie. "Mensen hebben dit voorspeld, maar om de structuur ervan daadwerkelijk te visualiseren is buitengewoon opwindend."

"Het is alsof er een deur is en deze is niet gesloten of helemaal open; hij is half open, "zegt ze. "En nu leren we wat er door de deur kan gaan, wat het zou kunnen blokkeren en hoe het in realtime werkt."

In dit onderzoek, de wetenschappers ontdekten dat een aminozuur de deur blokkeerde en verhinderde dat de schakelaar zo gemakkelijk mogelijk omdraaide.

De onderzoekers verkortten het aminozuur in een gemuteerde versie van het fluorescerende eiwit. Deze engineered versie schakelde makkelijker en gaf een beter contrast. Deze eigenschappen stellen wetenschappers in staat om cellulaire activiteit met grotere precisie te observeren.

"Contrast is essentieel bij beeldvorming. Het is net als op een tv-scherm, waar je de beste foto kunt zien, je wilt dat het donker extreem donker is en de kleur super helder en kleurrijk, " zegt Jacques-Philippe Colletier, een wetenschapper aan het Institute of Structural Biology die heeft bijgedragen aan het onderzoek.

Deze nieuwe moleculaire film met de op kwallen geïnspireerde eiwitten maakt de weg vrij om meer microscopische details van het leven vast te leggen. Het team zal het eiwit blijven verfijnen voor andere gewenste eigenschappen die het ideaal maken voor "superresolutiemicroscopie, " een type lichtmicroscopie waarbij wetenschappers verlichte details van cellen kunnen zien die niet te onderscheiden zijn met conventionele lichtmicroscopiemethoden.