Om nanostructuren in echte omgevingen te bestuderen, Wetenschappers van Berkeley Lab hebben theoretische en experimentele benaderingen gecombineerd om een ​​glimp op te vangen van de interactie van een eiwit met eenvoudige zouten in water. Mogelijk gemaakt door simulatiesoftware voor röntgenabsorptie die is ontwikkeld in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, deze bevindingen werpen nieuw licht op hoe zouten de eiwitstructuur op atomair niveau beïnvloeden.

Traditionele kristallografische technieken, zoals röntgendiffractie, zorgen voor een profiel van geordende materialen met statische structuren. Echter, voor dynamische of complexe systemen waarin de atomaire structuur snel verandert, er zijn meer geavanceerde methoden nodig. Nutsvoorzieningen, Berkeley Lab-wetenschappers hebben röntgenabsorptiespectroscopie toegepast om een ​​modeleiwit te bestuderen, triglycine - een korte keten van drie moleculen van het eenvoudigste aminozuur, glycine. Door het röntgenabsorptiespectrum van dit molecuul te simuleren, heeft het team laten zien hoe de ketting knikt en recht wordt als reactie op ionen in oplossing.

"Kijken naar een molecuul in oplossing is als kijken naar een marionet - je kunt het zien buigen als reactie op het maken en verbreken van waterstofbruggen, " zei David Prendergast, een stafwetenschapper in de Theory of Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry. "Een concrete kennis van hoe ionen dit gedrag beïnvloeden, komt van het gebruik van moleculaire dynamische simulaties, die aanhoudende verschillen in structuur op nanoseconden tijdschalen laten zien. Uit deze gegevens kunnen we röntgenabsorptiespectra genereren die vervolgens kunnen worden vergeleken met experimentele resultaten.”

In een gespecialiseerd röntgenabsorptie-experiment genaamd Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS), röntgenstralen worden gebruikt om de chemische binding en omgeving van specifieke elementen in een molecuul of nanostructuur te onderzoeken, zoals de stikstofatomen in een triglycinemolecuul. In combinatie met een vloeibare microjet-technologie ontwikkeld in Berkeley Labs, NEXAFS is eerder gebruikt om te onderzoeken hoe eiwitten oplossen en kristalliseren in aanwezigheid van verschillende ionen.

De software van Prendergast kan nu NEXAFS-gegevens simuleren door het gemiddelde te nemen van een reeks snapshots die zijn genomen van een moleculaire dynamische simulatie van een bepaald molecuul. Deze software is een cruciaal hulpmiddel voor het interpreteren van NEXAFS-gegevens van complexe, dynamische systemen, omdat de sondetijden in deze metingen te langzaam zijn - seconden in plaats van nanoseconden - om structurele verschillen op nanoschaal te onthullen.

"Eerdere studies van onze groep hebben aangetoond dat de ontwikkeling van röntgenabsorptiespectroscopie van vloeibare microjets een nieuwe atoomgevoelige sonde biedt voor de interacties tussen waterige ionen, maar het is de komst van deze nieuwe theorie die de eerste betrouwbare interpretatie op moleculair niveau van deze gegevens verschaft, " zei Richard Saykally, een Berkeley Lab-chemicus en hoogleraar scheikunde aan de University of California in Berkeley. "Hier zien we deze nieuwe combinatie van theorie en experiment toegepast op een van de belangrijkste problemen in de biofysische chemie."

Prendergast zegt dat zijn moleculaire dynamica-techniek kan worden gebruikt om röntgenspectra van een biologisch systeem met bekende structuur te modelleren om de lokale interacties te bepalen. waardoor het een bepaalde structuur vormt, en waarom het een bepaalde conformatie aanneemt - allemaal door de spectra van een reeks individuele snapshots te simuleren en te vergelijken met experimentele resultaten. Deze simulaties zijn rekenintensief en zijn sterk afhankelijk van de grootschalige supercomputing-infrastructuur die wordt geleverd door Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

“Hoewel deze effecten een fundamenteel onderdeel van de natuur zijn, ze worden nog steeds slecht begrepen, " zei Craig Schwartz, een onderzoeker die samenwerkt met Prendergast en Saykally, wiens afstudeerwerk leidde tot deze publicatie. “De experimentele gevoeligheid van NEXAFS, gekoppeld aan een doorbraak in de theorie, gaf ons nieuw inzicht in hoe deze moleculen op elkaar inwerken.”

De onderzoekers anticiperen op de vraag van andere groepen die interacties met water (of andere oplosmiddelen) onderzoeken, evenals zowel zachte materialen (zoals polymeren) als anorganische materialen (oxiden en metaaloppervlakken) die direct relevant zijn voor energiegerelateerde toepassingen in katalyse, batterijtechnologie en fotovoltaïsche energie. In aanvulling, naarmate röntgenvrije elektronenlaserbronnen beschikbaar komen voor wetenschappers, een rijkere experimentele dataset zal beschikbaar zijn om de theoretische bevindingen te vergroten.