Een team van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University heeft inzicht gekregen in hoe elektrische velden de manier beïnvloeden waarop energie uit licht moleculaire beweging en transformatie in een eiwit aanstuurt dat vaak wordt gebruikt in biologische beeldvorming. Een beter begrip van dit fenomeen, wat cruciaal is voor veel processen die plaatsvinden in biologische systemen en materialen, zou onderzoekers in staat kunnen stellen de eigenschappen van een systeem nauwkeurig af te stemmen om deze effecten te benutten, bijvoorbeeld het gebruik van licht om neuronen in de hersenen aan te sturen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Wetenschap in januari.

Draai en roep

menselijke visie, fotosynthese en andere natuurlijke processen oogsten licht met eiwitten die moleculen bevatten die bekend staan ​​als chromoforen, waarvan vele draaien als er licht op valt. Het kenmerk van deze draaiende beweging, foto-isomerisatie genoemd, is dat een deel van het molecuul rond een bepaalde chemische binding draait.

"Iets in de eiwitomgeving stuurt dit zeer specifieke en belangrijke proces, " zegt Steven Boxer, een biofysisch chemicus en Stanford-professor die toezicht hield op het onderzoek. "Een mogelijkheid is dat de verdeling van atomen in de moleculaire ruimte de rotatie rond elke chemische binding blokkeert of toelaat, bekend als het sterische effect. Een alternatief heeft te maken met het idee dat wanneer moleculen met dubbele bindingen worden aangeslagen, er is een scheiding van lading, en dus kunnen de omringende elektrische velden de rotatie van de ene binding boven de andere begunstigen. Dit wordt het elektrostatische effect genoemd."

Een ander deuntje

Voor meer informatie over dit proces, de onderzoekers keken naar groen fluorescerend eiwit, een eiwit dat vaak wordt gebruikt bij biologische beeldvorming waarvan de chromofoor op een aantal manieren op licht kan reageren die gevoelig zijn voor de lokale omgeving in het eiwit, het produceren van fluorescerend licht van verschillende kleuren en intensiteiten.

Stanford afgestudeerde studenten Matt Romei en Chi-Yun Lin, die de studie leidde, de elektronische eigenschappen van de chromofoor in het eiwit afgestemd door het introduceren van chemische groepen die systematisch elektronen van de chromofoor toevoegden of aftrokken om een ​​elektrisch veldeffect te creëren. Daarna maten ze hoe dit de draaiende beweging van de chromofoor beïnvloedde.

Met de hulp van coauteur Irimpan Mathews, een wetenschapper bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), de onderzoekers gebruikten een röntgentechniek genaamd macromoleculaire kristallografie bij SSRL-bundellijnen 7-1, 12-2 en 14-1 om de structuren van deze afgestemde eiwitten in kaart te brengen om aan te tonen dat deze veranderingen weinig effect hadden op de atomaire structuur van de chromofoor en het omringende eiwit. Vervolgens, door een combinatie van technieken te gebruiken, ze waren in staat om te meten hoe veranderingen in de elektronenverdeling van de chromofoor van invloed waren op de plaats waar rotatie optrad toen deze door licht werd geraakt.

"Tot nu, het grootste deel van het onderzoek naar foto-isomerisatie in dit specifieke eiwit was theoretisch of gericht op het sterische effect, Romei zegt. "Dit onderzoek is een van de eerste die het fenomeen experimenteel heeft onderzocht en het belang van het elektrostatische effect heeft aangetoond. Nadat we de gegevens hadden geplot, we zagen deze echt mooie trends die suggereren dat het afstemmen van de elektronische eigenschappen van de chromofoor een enorme impact heeft op de isomerisatie-eigenschappen van de binding."

Aanzetgereedschappen

Deze resultaten suggereren ook manieren om lichtgevoelige eiwitten te ontwerpen door de omgeving rond de chromofoor te manipuleren. Lin voegt eraan toe dat dezelfde experimentele benadering kan worden gebruikt om het elektrostatische effect in veel andere systemen te bestuderen en te beheersen.

"We proberen het principe te achterhalen dat dit proces bestuurt, " zegt Lin. "Met wat we leren, we hopen deze concepten toe te passen om betere instrumenten te ontwikkelen op gebieden zoals optogenetica, waar je selectief zenuwen kunt manipuleren om tot bepaalde functies in de hersenen te leiden."

Boxer voegt eraan toe dat het idee dat de georganiseerde elektrische velden in eiwitten belangrijk zijn voor veel biologische functies een opkomend concept is dat interessant kan zijn voor een breed publiek.

"Veel van het werk in ons lab is gericht op het ontwikkelen van methoden om deze velden te meten en ze te verbinden met functies zoals enzymatische katalyse, " hij zegt, "en we zien nu dat foto-isomerisatie in dit kader past."