Algunos de los procesos más rápidos en nuestro cuerpo siguen su curso en proteínas activadas por la luz. La proteína rodopsina se encarga de que nuestros ojos puedan captar rápidamente su entorno en constante cambio. Láseres de rayos X de electrones libres como SwissFEL en elLa PSI del Instituto Paul Scherrer ahora hace posible por primera vez captar tales procesos en flagranti. Los láseres de rayos X de electrones libres generan pulsos extremadamente cortos e intensos de luz de rayos X. Actualmente solo hay dos instalaciones de este tipo en funcionamiento en todo el mundo.Un equipo internacional bajo el liderazgo de la ISP ha demostrado con éxito cómo los procesos ultrarrápidos por los cuales las proteínas hacen su trabajo pueden estudiarse con láser de rayos X de electrones libres. Como organismo modelo, utilizaron un microbio simple que puede convertir la luz enenergía química. Los investigadores informan sus resultados en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza.
Sentado en un café en la acera, observando a la gente pasear: la mayoría de nosotros desconocemos que procesos complejos se llevan a cabo constantemente en nuestro cuerpo para hacer percepciones aparentemente simples, como la vista, en primer lugar. Hay una razón por la cual, sin embargo, la visiónparece ser una experiencia inmediata que nos pertenece directamente: los procesos involucrados ocurren tan rápido que simplemente no los notamos. Notamos un abrir y cerrar de ojos, pero los procesos biológicos pueden ser hasta mil millones de veces más rápidos, particularmentesi hay luz involucrada
Métodos de prueba en un modelo simple
Los investigadores de todo el mundo usan la proteína bacteriorrodopsina para investigar estos procesos ultrarrápidos. Tiene una función clave en ciertos microbios simples, sobre todo en el grupo de las halobacterias. Si estos seres vivos más pequeños tienen poco oxígeno, usan luz en su lugarcomo suministro de energía. La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana, es decir, se asienta en la piel externa de la célula. Cuando la luz incide, la proteína cambia de forma y comienza el proceso de convertir la luz en energía química.
Para los investigadores, esta es una proteína modelo importante, en la cual pueden probar métodos que luego pueden usarse en proteínas de membrana más complejas, como la rodopsina "hermano mayor" de bacteriorhodopsin, que se encarga de que nuestros ojos puedan asimilar rápidamentesus alrededores siempre cambiantes.
captura de procesos biológicos ultrarrápidos
Los investigadores han intentado durante mucho tiempo comprender en detalle los procesos ultrarrápidos que tienen lugar en las proteínas día tras día. Esto ahora es posible por primera vez, con láser de rayos X de electrones libres como SwissFEL, queactualmente se está completando en el Instituto Paul Scherrer PSI: estas instalaciones generan una secuencia rápida de pulsos extremadamente cortos e intensos de luz de rayos X, con los cuales los pasos individuales de los procesos ultrarrápidos pueden iluminarse para reproducirse y verse, por así decirlo,como una película molecular
Para poder explotar de manera óptima el potencial de los láseres de rayos X de electrones libres, los investigadores de PSI están desarrollando nuevos métodos experimentales. El método más prometedor hasta la fecha se llama cristalografía en serie. Fue especialmente desarrollado para láser de rayos X de electrones libresaplicaciones, pero también se pueden usar en instalaciones como el Swiss Light Source SLS de la PSI para investigar la estructura de las biomoléculas.
En teoría, la idea de cómo, con la cristalografía en serie, es posible estudiar proteínas activadas por la luz, como la bacteriorrodopsina en acción, es simple. Se hacen muchas muestras idénticas, un láser óptico dispara el proceso deseado en las muestras con un control precisointervalos de tiempo, y las muestras se inyectan individualmente en el haz de pulsos láser de rayos X. Los pulsos luego rayos X de las muestras individuales. Debido a que el estado de la proteína en un paso específico del proceso puede inferirse de la luz desviada, el individuolos pasos se capturan imagen por imagen, y luego se pueden ensamblar en una película
El diablo en los detalles - del objeto de investigación
Por evidente que pueda ser la teoría, en la práctica los investigadores tienen que lidiar con la naturaleza no cooperativa de sus objetos de investigación. Para que la luz de rayos X sea desviada con suficiente fuerza, la muestra debe prepararse en cristalY hasta ahora, la capacidad de resolver procesos ultrarrápidos requería una gran cantidad de tales cristales de proteínas, pero su producción es muy lenta y costosa, especialmente para el importante grupo de proteínas de membrana a las quemencionada "sensor de luz" rodopsina pertenece.
En la instalación LCLS de láser de electrones libres en la Universidad de Stanford en California, un equipo internacional bajo el liderazgo de la PSI ahora ha demostrado cómo incluso estas proteínas difíciles pueden ser accesibles para el estudio ". Nuestro objetivo era reducir drásticamente la cantidad dese necesitan cristales, dice Przemyslaw Nogly, quien desempeñó un papel de liderazgo en el proyecto en el marco del Programa FELLOW PSI suizo-europeo.
Los investigadores inyectaron cristales de bacteriorrodopsina en el haz de rayos X con un inyector especial. En este inyector, los cristales, de unos pocos micrómetros de tamaño, están incrustados en un fluido extremadamente viscoso. De hecho, es tan viscoso que el inyector admite menosde dos microlitros por minuto en el haz de rayos X, es decir, menos de dos millonésimas de litro ". De esta manera pudimos aumentar decisivamente la tasa de aciertos de los pulsos de rayos X y perdemos menos cristalesque con otros métodos ", dice Nogly. Los métodos anteriores necesitaban varios gramos de los cristales de proteínas preciosas, pero ahora solo unos pocos miligramos son suficientes.
Que los experimentos con este método pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente es otra ventaja crucial. "Es difícil producir una buena película cuando los actores están congelados", bromea Standfuss, bajo cuyo liderazgo se realizó el experimento en Stanford.
Los investigadores llevaron el inyector utilizado en su experimento con ellos a Stanford. De esta manera pudieron obtener una valiosa experiencia, porque este inyector está destinado a su uso en SwissFEL, donde los primeros experimentos piloto comenzarán en 2017. "Es importantepara que podamos probar los métodos previstos para SwissFEL por adelantado en los láseres de rayos X existentes ", dice Christopher Milne. Para SwissFEL, está desarrollando la estación experimental en la que se desplegará la cristalografía en serie una vez que la instalación esté en funcionamiento.también participó en el experimento de Stanford: "Esto nos permite optimizar las estaciones experimentales desde el principio para que sean compatibles con los métodos más modernos".
Lo mismo ocurre con los biólogos. Quieren comenzar sus estudios en SwissFEL con las mejores herramientas de investigación posibles. Y apenas pueden esperar para ver, además de su proteína modelo, otras proteínas en acción ". Con el electrón libre Xde rayos láser como SwissFEL, finalmente podremos seguir algunos de los procesos biológicos más rápidos con el más mínimo detalle ", dice Standfuss.
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Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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