В новаторском исследовании ученые использовали сверхбыструю физику, чтобы получить беспрецедентное представление о сложном танце молекулярной "когерентности" в структурной биологии. Это исследование способно произвести революцию в нашем понимании того, как молекулы трансформируются в ответ на воздействие раздражителей, таких как свет, и может иметь значительные последствия для таких областей, как фотосинтез.
Международная исследовательская группа под руководством профессора Яспера ван Тора (Jasper van Thor) из отделения наук о жизни Имперского колледжа Лондона успешно объединила два мощных метода структурной биологии: кристаллографию и спектроскопию. Интеграция этих методов открыла новую эру в понимании реакций белковых молекул, имеющих фундаментальное значение для жизни.
Для изучения структуры молекул уже давно используется кристаллография, которая заключается в получении "моментальных снимков" их расположения. Однако теперь, благодаря использованию спектроскопии, которая отображает колебания электронных и ядерных конфигураций, исследователи могут наблюдать самые первые движения молекул при оптическом возбуждении. Это явление, известное как "когерентность", позволяет выявить колебательный эффект, который предшествует функциональному движению в биологических реакциях.
Команда исследователей продемонстрировала новую методику на рентгеновских лазерных установках по всему миру, включая источник когерентного света Linac (LCLS) в США, компактный лазер на свободных электронах SPring-8 Angstrom (SACLA) в Японии, PAL-XFEL в Корее и Европейский XFEL в Гамбурге. Снимая "моментальные снимки" молекулярных структур с помощью рентгеновского излучения после лазерного возбуждения, исследователи смогли наблюдать сверхбыстрые движения молекул на фемтосекундном временном интервале (одна миллионная миллиардной доли секунды) с практически атомным разрешением.
Профессор ван Тор объясняет значение этого открытия: "Все процессы, поддерживающие жизнь, осуществляются белками, но понимание того, как эти сложные молекулы выполняют свою работу, зависит от изучения расположения их атомов - и того, как эта структура меняется в процессе реакции".
Он добавляет: "Теперь у нас есть инструменты для понимания и даже управления молекулярной динамикой на чрезвычайно быстрых временных масштабах с разрешением, близким к атомному. Мы надеемся, что, поделившись методологическими деталями этой новой методики, мы сможем стимулировать исследователей как в области структурной биологии с разрешением по времени, так и в области сверхбыстрой лазерной спектроскопии к изучению кристаллографических структур когерентных соединений".
Данное исследование опирается на предыдущие работы команды, которая с 2009 года изучает движения реагирующих белков в фемтосекундном масштабе времени. В 2016 году они добились первых успехов, получив детальные изображения светоиндуцированных изменений в биологическом белке. Однако происхождение молекулярных "движений" сразу после первого лазерного импульса оставалось ключевым вопросом, который успешно решается в данном исследовании.
Этот прорыв в понимании белковых реакций способен произвести революцию в различных областях, включая открытие и разработку лекарств. Получив более глубокое представление о том, как белки функционируют и изменяются на молекулярном уровне, ученые смогут разрабатывать более эффективные лекарства и методы лечения, направленные на специфические белковые взаимодействия.
