Wetenschappers hebben de krachtige röntgenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy gebruikt om de eerste snapshots te maken van een chemische interactie tussen twee biomoleculen - een die een RNA-"schakelaar" omdraait die de productie van eiwitten regelt, de werkpaardmoleculen van het leven.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in Natuur , tonen het baanbrekende potentieel van röntgenvrije-elektronenlasers, of XFEL's, voor het bestuderen van RNA, die de eiwitproductie in de cel begeleidt, dient als het primaire genetische materiaal in retrovirussen zoals HIV en speelt ook een rol bij de meeste vormen van kanker.

En omdat dit specifieke type RNA-schakelaar, bekend als een riboswitch, komt alleen voor in bacteriën, een dieper begrip van de functie ervan kan een manier zijn om de eiwitproductie uit te schakelen en schadelijke ziektekiemen te doden zonder bijwerkingen te veroorzaken bij de mensen die ze infecteren.

"Eerdere experimenten met de röntgenlaser van SLAC hebben biologische reacties bestudeerd, zoals fotosynthese die worden geactiveerd door licht. Maar dit is de eerste die er een heeft waargenomen die wordt veroorzaakt door de chemische interactie van twee biomoleculen in realtime en op atomaire schaal, " zei Yun-Xing Wang, een structurele bioloog bij het National Cancer Institute's Center for Cancer Research die het internationale onderzoeksteam leidde.

"Dit demonstreert echt het unieke vermogen dat röntgenvrije-elektronenlasers bieden dat geen enkele huidige technologie, of welke andere technologie dan ook aan de horizon, kan doen. Het is alsof je een camera hebt met een zeer snelle sluitertijd, zodat je elke beweging van de biomoleculen in actie kunt zien."

De experimenten werden uitgevoerd bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Zij zijn de eersten die demonstreren hoe XFEL's snapshots kunnen maken en mogelijk films kunnen maken van RNA en andere biomoleculen terwijl ze chemisch interageren - en bieden een glimp van de fundamentele werking van de cel die op geen enkele andere manier kan worden verkregen.

RNA-vormverandering zien

RNA is een belangrijk onderdeel van het genetisch materiaal in alle levende cellen. Er zijn verschillende soorten die samenwerken om de productie van eiwitten door de ribosomen van de cel te sturen, volgens blauwdrukken gecodeerd in DNA.

Maar zowel DNA als RNA bevatten ook uitgebreide regio's die voor geen enkel eiwit coderen - de zogenaamde genetische 'donkere materie'. Wetenschappers dachten jarenlang dat deze regio's niets deden. Nu weten ze dat ze een belangrijke rol spelen bij het bepalen waar en wanneer genen aan- en uitzetten en bij het verfijnen van hun functie. De overgrote meerderheid van kankers wordt veroorzaakt door mutaties in deze niet-coderende gebieden, Wang zei, dus begrijpen hoe deze regio's werken, is belangrijk voor zowel kankeronderzoek als fundamentele biologie.

Echter, uitzoeken wat de niet-coderende RNA-regio's doen, is moeilijk. RNA-moleculen zijn wiebelig en flexibel, dus het is moeilijk om ze op te nemen in de grote kristallen die normaal gesproken nodig zijn om hun atomaire structuur te bestuderen bij röntgenlichtbronnen.

LCLS neemt deze barrière weg door wetenschappers in staat te stellen structurele informatie te krijgen van veel kleinere, nanokristallen, die veel gemakkelijker te maken zijn. Zijn krachtige röntgenlaserpulsen, een miljard keer helderder dan ooit tevoren, zijn zo kort dat ze gegevens van elk kristal verzamelen in een paar miljoenste van een miljardste van een seconde, voordat schade door de röntgenstralen optreedt.

Wang's team bestudeerde een riboswitch van Vibrio vulnificus, een bacterie die verwant is aan de bacterie die cholera veroorzaakt. De riboswitch zit in een lange streng van boodschapper-RNA (mRNA), die de instructies van DNA voor het maken van een eiwit kopieert, zodat ze door het ribosoom kunnen worden gelezen en uitgevoerd. De schakelaar werkt als een thermostaat die de eiwitproductie regelt.

In dit geval, het mRNA leidt de productie van een eiwit dat op zijn beurt helpt bij de productie van een klein molecuul dat adenine wordt genoemd. Als er te veel adenine in de bacteriecel zit, adeninemoleculen komen in zakken in de riboswitches en veranderen de riboswitches in een andere vorm, en dit verandert het tempo van de productie van eiwitten en adenine.

Eerste stills van een elegante film

Voor de LCLS-experimenten, de onderzoekers maakten nanokristallen waarin miljoenen kopieën van de riboswitch waren verwerkt en vermengden die met een oplossing die adeninemoleculen bevatte. Elk kristal was zo klein dat adenine snel en uniform in elke hoek ervan kon doordringen, ga riboswitch-pockets binnen en draai ze bijna onmiddellijk om, alsof het miljoenen gesynchroniseerde zwemmers waren die een enkele foutloze beweging uitvoerden.

De wetenschappers maakten snapshots van deze interactie door de kristallen te raken met röntgenlaserpulsen met zorgvuldig getimede intervallen nadat het mengen was begonnen. Dit gaf hen de eerste glimp van een vluchtige tussenfase in het proces, die binnen 10 seconden plaatsvond. Afzonderlijk, ze verkregen de eerste beelden van de riboswitch in zijn begin, lege zak staat, en ontdekte dat het in twee enigszins verschillende configuraties bestond, waarvan er slechts één deelneemt aan het schakelen.

De onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat de plotselinge verandering in de vorm van de riboswitches zo dramatisch was dat het de vorm van het hele kristal veranderde, te. Normaal gesproken zou zo'n grote verandering het kristal doen barsten en het experiment bederven. Maar omdat deze kristallen zo klein waren, bleven ze bij elkaar, dus de röntgenlaser kon er nog steeds structurele informatie van krijgen.

"Voor mij is het nog steeds een raadsel hoe het kristal dat voor elkaar heeft gekregen, " zei Soichi Wakatsuki, een professor aan SLAC en aan de Stanford School of Medicine en hoofd van de Biosciences Division van het lab, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. "Dit opent eigenlijk veel nieuwe mogelijkheden en geeft ons een nieuwe manier om te kijken naar hoe RNA en eiwitten interageren met kleine moleculen, dus dit is heel spannend."