Een lichtgevoelig eiwit van een zoutminnende, zwavelvormende microbe is de sleutel gebleken tot het ontwikkelen van methoden die essentieel zijn voor geavanceerde ontdekking van geneesmiddelen, het begrijpen van de menselijke visie en andere biomedische toepassingen. In een recensie die deze week is gepubliceerd in structurele dynamiek , natuurkundige Marius Schmidt van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee presenteert een geschiedenis van tientallen jaren onderzoek naar deze microbe en de vele nieuwe technologieën die deze toepassingen mogelijk hebben gemaakt.

In 1985, onderzoekers ontdekten dat de paarse zwavelbacterie Halorhodospira halophila produceerde een blauwlichtgevoelig eiwit dat bekend staat als fotoactief geel eiwit (PYP). Structurele veranderingen in de wendingen en plooien van het PYP-eiwit fungeren als signalen die bacteriën helpen reageren op stimuli. Deze structurele veranderingen, geconserveerd over veel vergelijkbare eiwitten, zijn ook nodig voor de functie van verschillende andere eiwitten, zoals het rodopsinepigment dat verantwoordelijk is voor het zicht bij weinig licht in het menselijk oog.

Wanneer geactiveerd door een flits van blauw licht, PYP ondergaat een reeks structurele veranderingen die binnen milliseconden plaatsvinden, onderweg vele tussenstructuren vormen. In bijna drie decennia, onderzoekers hebben technieken zoals spectroscopie en op synchrotron gebaseerde metingen gebruikt om elk tussenproduct te identificeren dat binnen deze kleine tijdschaal is gevormd.

Het kunnen herkennen van deze reactietussenproducten is een belangrijke stap in de ontwikkeling van geneesmiddelen, omdat dezelfde methoden vervolgens kunnen worden toegepast om reacties te bestuderen die van biomedisch belang zijn, Schmidt uitgelegd.

"Bijvoorbeeld, je kunt zien hoe een kankergerelateerd enzym dat een specifieke reactie katalyseert, werkt, " zei hij. "Elke nieuwe tussenstructuur die we identificeren zou een potentieel medicijndoelwit kunnen zijn om die reactie te manipuleren."

In tegenstelling tot deze andere eiwitten, echter, PYP is klein en gemakkelijk in grote hoeveelheden te produceren, waardoor het ideaal is voor experimentele studies van eiwitstructuur. 1995, onderzoekers bepaalden de structuur van het PYP-eiwit met behulp van kristallografie met een resolutie van 1,4 angstrom - dat is ongeveer de grootte van individuele atomen. Aanvankelijk, de meeste onderzoeken maakten gebruik van op spectroscopie gebaseerde benaderingen om de snelle door licht gekatalyseerde structurele veranderingen in PYP te begrijpen.

Vroege op structuur gebaseerde onderzoeken waren gebaseerd op de synchrotron en op synchrotron gebaseerde bundellijnen, die een enkele röntgenpuls gebruiken, als lichtbronnen om eiwitkristallen te bestuderen. Deze experimenten produceerden diffractiepatronen om reactietussenproducten te onthullen die slechts 100 picoseconden vormden, minder dan een miljardste van een seconde, na de reactie tot het einde van de fotocyclus. Maar het observeren van eerdere tijdstippen was een technische uitdaging.

De eerste tijdreeks van gegevens onthulde tussenproducten in de 100 nanoseconde tot 100 milliseconde fase van de PYP-reactie, maar vormde ook een analytische uitdaging. Omdat tussenproducten zich zo snel vormen en vergaan, een monster op een bepaald punt draagt ​​een mix van tussenliggende structuren. Hoe konden wetenschappers ze uit elkaar houden?

"Tot het begin van de jaren 2000, hoe dit mengsel te ontwarren was een onopgelost probleem, "Zei Schmidt. "Maar PYP leverde de eerste datasets van waaruit men dit kan proberen."

De oplossing kwam voort uit een componentanalysemethode die bekend staat als singular value decomposition (SVD), die door Schmidt en zijn collega's is toegepast op tijdsopgeloste kristallografie.

"[SVD] kan gemakkelijk worden gebruikt om de structuur van zuivere tussenproducten uit een mengsel te extraheren, "Zei Schmidt. "Het is echt een centrale methode gebleken bij het analyseren van deze gegevens en degene die tot nu toe de meeste toepassingen heeft."

tot 2013 onderzoekers hadden de PYP-fotocyclus opgehelderd met een resolutie van 100 picoseconden; de snellere tijdschaal bleek ongrijpbaar. De komst van de röntgenvrije elektronenlaser (XFEL), een nieuw soort lichtbron, hielp dit probleem op te lossen. Door gebruik te maken van de XFEL- en SVD-analyse, onderzoekers hebben nu ook eerdere processen geïdentificeerd, het onthullen van de fundamentele, cruciale stappen in de cis- naar transisomerisatie van PYP op de femtoseconde en picoseconde tijdschalen.

soortgelijke reacties, die essentieel zijn voor het menselijk zicht, komen ook voor wanneer licht het retinale pigment rhodopsine raakt. "Het zou super spannend zijn geweest om deze isomerisatie in realtime te zien gebeuren met XFEL, " zei Schmidt. "Als we het in PYP kunnen zien, we kunnen het misschien ook visualiseren in rodopsine. PYP is een rolmodel gebleken voor andere reacties met cis-transisomerisatie."