Een onderzoeksteam van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy gebruikt de Linac Coherent Light Source (LCLS) om een ​​enzym te bestuderen dat wordt aangetroffen in planten, bacteriën en sommige dieren die DNA-schade herstellen die is veroorzaakt door de ultraviolette (UV) lichtstralen van de zon.

Door dit enzym te bestuderen, genaamd DNA-fotolyase, met de ultraheldere en ultrasnelle pulsen van de LCLS-röntgenlaser, onderzoekers hebben eindelijk de mogelijkheid om het enzym in actie te zien terwijl het een chemische reactie in realtime en op atomaire schaal katalyseert om langdurige discussies over hoe deze enzymen werken op te lossen. uiteindelijk, deze kennis kan worden gebruikt om verbeterde synthetische versies van enzymen te ontwikkelen die cruciale reacties in biologische systemen aansturen, of om nieuwe enzymen te produceren die niet in de natuur voorkomen.

"De biochemische reacties die door enzymen worden uitgevoerd, vormen de kern van het aanpassingsvermogen en de efficiëntie van levende wezens, " zegt Thomas Joseph Lane, een associate stafwetenschapper bij LCLS. "Maar de details van hoe enzymen werken, zijn verborgen in chemische processen die plaatsvinden op extreem korte tijdschalen, tot een miljoenste van een miljardste van een seconde, dus we hadden LCLS nodig om hun geheimen te onthullen."

Een krachtige reparatiemachine

In slechts enkele seconden, ultraviolet licht van de zon kan DNA beschadigen door honderden ongewenste schakels te creëren binnen de dubbele helix van DNA. Deze modificaties maken het genetisch materiaal omvangrijk en onleesbaar voor DNA-replicatietools, wat leidt tot permanente mutaties die kanker en andere ziekten kunnen veroorzaken als ze niet worden gerepareerd.

Maar hetzelfde zonlicht dat schadelijke UV-stralen draagt, bevat ook blauw licht dat fotolyase kan induceren om eventuele DNA-schade snel te herstellen.

Men denkt dat fotolyase een van de redenen is waarom planten - die elke dag uren aan de zon worden blootgesteld - minder vatbaar zijn voor UV-schade dan mensen, die fotolyase missen. Mensen en andere zoogdieren moeten terugvallen op alternatieve DNA-reparatiemechanismen (of helemaal niet in de zon gaan).

Een ultrasnelle röntgencamera gebruiken

Met LCLS, onderzoekers hebben nu toegang tot enkele van de snelste en helderste röntgenlaserpulsen ter wereld om te bestuderen hoe levende wezens zichzelf verdedigen tegen UV-schade.

Eerder dit jaar, bijvoorbeeld, een team van wetenschappers onder leiding van Thomas Wolf, een associate stafwetenschapper bij SLAC, gebruikte LCLS om de eerste stap te zien van een beschermend proces dat UV-schade in de DNA-bouwsteen thymine voorkomt.

"Vóór LCLS, andere röntgen 'camera's' waren te traag, Lane legt uit. "Proberen om enzymen en andere eiwitten nauwkeurig in beeld te brengen met die röntgenbronnen zou hetzelfde zijn als proberen een actiefoto te maken van Michael Phelps die zwemt met een oude camera. Je zou maar een paar wazige beelden krijgen over zijn hele 100-yard vlinderevenement, wat nauwelijks een spannende of informatieve foto zou opleveren."

Maar met LCLS, hij zegt, "Stel je een reeks opeenvolgende opnamen met hoge resolutie voor - je zou elke druppel water en elke draai van Phelps' pols kunnen vastleggen terwijl hij vlindert. Dat is wat LCLS ons laat doen bij het visualiseren van enzymactiviteit."

Betere enzymen bouwen

In tegenstelling tot Wolfs experiment over hoe DNA zichzelf beschermt tegen schade, Lane's team bestudeert hoe fotolyase UV-schade herstelt zodra beschermende mechanismen hebben gefaald. Photolyase kan met grote precisie worden gecontroleerd door het bloot te stellen aan licht, waardoor het een ideaal enzym is om te bestuderen met behulp van lasergegenereerd licht.

Om de fotolyasechemie in detail te zien, de onderzoekers activeerden het enzym met een zorgvuldig gecontroleerde lichtpuls van een laser. Vervolgens stelden ze het enzym bloot aan de door LCLS gegenereerde röntgenpuls, het creëren van een karakteristiek röntgenverstrooiingspatroon in een gespecialiseerde detector. De analyse van verstrooide röntgengegevens onthulde chemische en structurele veranderingen in het enzym op atomair niveau en op een tijdschaal van een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Een van de uiteindelijke doelen van het bestuderen van het enzymatische DNA-herstelproces is het ontwikkelen van synthetische enzymen die nabootsen, maar zelfs beter zijn dan die welke in de natuur worden aangetroffen.

"Er zijn nog steeds enkele grote lacunes in ons begrip van hoe enzymen werken, benadrukt door het feit dat door de mens gemaakte enzymen de prestaties van de natuur nog moeten evenaren, ", zegt Lane. "We hopen dat onze experimenten hier bij LCLS ons zullen helpen die hiaten te overbruggen, ons dichter bij het begrijpen en benutten van de chemie die levende wezens elke dag doen."