La capacidad de transformar la luz solar en energía es una de las hazañas más notables de la naturaleza. Los científicos entienden el proceso básico de la fotosíntesis, pero muchos detalles cruciales siguen siendo esquivos, ocurren en dimensiones y escalas temporales fugaces durante mucho tiempo consideradas demasiado minúsculas para sondear.
Ahora, eso está cambiando.
En un nuevo estudio, dirigido por Petra Fromme y Nadia Zatsepin en el Biodesign Center for Applied Structural Discovery, la Facultad de Ciencias Moleculares y el Departamento de Física de ASU, los investigadores investigaron la estructura del fotosistema I PSI con X ultracortopulsos de rayos en el láser europeo de electrones libres de rayos X EuXFEL, ubicado en Hamburgo, Alemania.
PSI es un gran sistema biomolecular que actúa como un gran convertidor de energía solar que transforma la energía solar en energía química. La fotosíntesis proporciona energía para toda la vida compleja en la Tierra y suministra el oxígeno que respiramos. Los avances en el descubrimiento de los secretos de la fotosíntesis prometen mejorar la agriculturay ayuda en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía solar de próxima generación que combinan la eficiencia de la naturaleza con la estabilidad de los sistemas de ingeniería humana.
"Este trabajo es tan importante, ya que muestra la primera prueba de concepto de la cristalografía en serie de megahercios con una de las proteínas de membrana más grandes y complejas en la fotosíntesis: Photosystem I", dice Fromme. "El trabajo allana el camino hacia el tiempo resueltoestudios en el EuXFEL para determinar películas moleculares de la ruta de los electrones impulsada por la luz en la fotosíntesis o visualizar cómo los medicamentos contra el cáncer atacan las proteínas que funcionan mal ".
El EuXFEL, que recientemente comenzó a funcionar, es el primero en emplear un acelerador lineal superconductor que produce nuevas y emocionantes capacidades que incluyen tasas de repetición de megahercios muy rápidas de sus pulsos de rayos X, más de 9000 veces más rápido que cualquier otro XFEL, con pulsosseparados por menos de una millonésima de segundo. Con estas explosiones increíblemente breves de luz de rayos X, los investigadores podrán grabar películas moleculares de procesos biológicos fundamentales mucho más rápidamente y probablemente impactarán en diversos campos, incluyendo medicina y farmacología, química, física, ciencia de los materiales, investigación energética, estudios ambientales, electrónica, nanotecnología y fotónica. Petra Fromme y Nadia Zatsepin son coautores corresponsales del artículo, publicado en la edición actual de la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Fuerza en números
Fromme es el director del Centro de Biodiseño para el Descubrimiento Estructural Aplicado CASD y dirige los esfuerzos del equipo experimental del proyecto, mientras que Zatsepin dirigió el equipo de análisis de datos XFEL.
"Este es un hito importante en el desarrollo de la cristalografía en serie de femtosegundos, basándose en el esfuerzo bien coordinado de un gran equipo internacional interdisciplinario y años de desarrollos en campos dispares", enfatiza Zatsepin, ex profesor asistente de investigación en elDepartamento de Física y Biodiseño de ASU CASD, y ahora investigador principal en la Universidad de La Trobe en Australia.
Christopher Gisriel, coautor del artículo, trabajó en el proyecto mientras era un investigador postdoctoral en el laboratorio Fromme y está entusiasmado con el proyecto. "La rápida recopilación de datos en experimentos de cristalografía en serie de femtosegundos hace que esta técnica revolucionaria sea más accesible para aquellos interesados enla relación estructura-función de las enzimas. Esto se ejemplifica en nuestra nueva publicación en Comunicaciones de la naturaleza que muestra que incluso las estructuras de proteínas más difíciles y complejas pueden resolverse mediante cristalografía en serie de femtosegundos mientras se recopilan datos a una tasa de repetición de megahercios ".
"Es muy emocionante ver el arduo trabajo de las muchas personas que impulsaron la realización de este proyecto", dice Jesse Coe, coautor que se graduó el año pasado con un doctorado en Bioquímica de ASU ". Esto esun gran paso en la dirección correcta hacia una mejor comprensión del proceso de transferencia de electrones de la Naturaleza que se ha perfeccionado durante miles de millones de años ".
Ciencia extrema
Un XFEL para láser de rayos X de electrones libres suministra luz de rayos X que es mil millones de veces más brillante que las fuentes convencionales de rayos X. Los pulsos de rayos X brillantes, similares a un láser, son producidos por electrones acelerados a cercavelocidad de la luz y alimentada a través de la brecha entre series de imanes alternos, un dispositivo conocido como ondulador. El ondulador obliga a los electrones a agitarse y agruparse en paquetes discretos. Cada uno de los racimos de electrones ondulantes perfectamente sincronizados emite una breve y potente radiografía.pulso a lo largo de la trayectoria de vuelo de electrones.
En la cristalografía en serie de femtosegundos, se inyecta un chorro de cristales de proteínas en la trayectoria del haz de XFEL pulsado a temperatura ambiente, produciendo información estructural en forma de patrones de difracción. A partir de estos patrones, los científicos pueden determinar imágenes de proteínas a escala atómica de cercacondiciones nativas, allanando el camino hacia películas moleculares precisas de moléculas en el trabajo.
Los rayos X dañan las biomoléculas, un problema que ha plagado los esfuerzos de determinación de la estructura durante décadas, requiriendo que las biomoléculas se congelen para limitar el daño. Pero las explosiones de rayos X producidas por un XFEL son tan cortas y duran solo unos pocos femtosegundos.que la dispersión de rayos X de una molécula se puede registrar antes de que se produzca la destrucción, similar al uso de un obturador rápido de cámara. Como punto de referencia, un femtosegundo es una millonésima de billonésima de segundo, la misma relación que un segundo es a 32millones de años
Debido a la sofisticación, el tamaño y el costo de las instalaciones de XFEL, solo cinco están disponibles actualmente para tales experimentos en todo el mundo, un cuello de botella severo para los investigadores, ya que cada XFEL generalmente solo puede albergar un experimento a la vez. La mayoría de los XFEL generan pulsos de rayos Xentre 30 y 120 veces por segundo y puede tomar de varias horas a días recopilar los datos necesarios para determinar una sola estructura, y mucho menos una serie de fotogramas en una película molecular. El EuXFEL es el primero en emplear un acelerador lineal superconductor en sudiseño, que permite la sucesión más rápida de pulsos de rayos X de cualquier XFEL, lo que puede reducir significativamente el tiempo que lleva determinar cada estructura o fotograma de la película.
alto riesgo, alta recompensa
Debido a que la muestra es borrada por los intensos pulsos de rayos X, debe reponerse a tiempo para el siguiente pulso de rayos X, que requiere que los cristales de PSI se entreguen 9000 veces más rápido en el EuXFEL que en los XFEL anteriores, a unvelocidad de chorro de aproximadamente 50 metros por segundo 160 pies por segundo, como una manguera de incendios microfluídica. Esto fue un desafío ya que requiere grandes cantidades de la preciosa proteína contenida en cristales uniformes para alcanzar estas altas velocidades de chorro y evitar bloquear el sistema de suministro de muestrasLas proteínas de membrana grandes son tan difíciles de aislar, cristalizar y entregar al haz, que no se sabía si esta clase importante de proteínas podría estudiarse en el EuXFEL.
El equipo desarrolló nuevos métodos que permitieron PSI, que es un gran complejo que consta de 36 proteínas y 381 cofactores, que incluyen las 288 clorofilas los pigmentos verdes que absorben la luz y tiene más de 150,000 átomos y es más de 20 veces más grande que el anteriorproteínas estudiadas en el EuXFEL, para determinar su estructura a temperatura ambiente con una notable resolución de 2.9 angstrom, un hito significativo.
Se tuvieron que cultivar miles de millones de microcristales de la proteína de membrana PSI, derivada de las cianobacterias para el nuevo estudio. Se requirió un rápido crecimiento de cristales a partir de semillas de nanocristales para garantizar la uniformidad esencial del tamaño y la forma de los cristales. PSI es una proteína de membrana, quees una clase de proteínas de gran importancia que han sido notablemente difíciles de caracterizar. Sus elaboradas estructuras están incrustadas en la bicapa lipídica de la membrana celular. Por lo general, deben aislarse cuidadosamente en forma completamente activa de su entorno nativo y transformarse en un estado cristalino,donde las moléculas se empaquetan en cristales pero mantienen toda su función nativa.
En el caso de la PSI, esto se logra al extraerla con detergentes muy suaves que reemplazan la membrana y rodean la proteína como un tubo interno de la piscina, que imita el ambiente de la membrana nativa y mantiene la PSI completamente funcional una vez que está dentro de los cristales.Entonces, cuando los investigadores iluminan los pigmentos verdes clorofilas que captan la luz mediante el sistema de antena de PSI, la energía se usa para disparar un electrón a través de la membrana.
Para mantener la PSI completamente funcional, los cristales solo se empaquetan débilmente con un 78% de agua, lo que los hace suaves como un trozo de mantequilla al sol y dificulta el manejo de estos cristales frágiles ". Para aislar, caracterizar y cristalizar un gramo deLa PSI, o mil millones de billones de moléculas de PSI, para los experimentos en su forma totalmente activa fue un gran esfuerzo de los estudiantes e investigadores de mi equipo ", dice Fromme." En el futuro, con tasas de repetición aún más altas y sistemas de entrega de muestras novedosos, la muestrael consumo se reducirá drásticamente "
El registro y análisis de los datos de difracción fue otro desafío. EuXFEL y DESY desarrollaron un detector de rayos X único para manejar las demandas de los estudios de biología estructural en EuXFEL: el detector de píxeles integradores de ganancia adaptativa, o AGIPD.Cada uno de los 1 millón de píxeles de AGIPD tienen menos de una centésima de pulgada de ancho y contienen 352 celdas de memoria analógica, lo que permite que AGIPD recopile datos a velocidades de megahercios en un amplio rango dinámico. Sin embargo, para recopilar datos cristalográficos precisos de microcristales de membrana grandeLas proteínas requerían un compromiso entre la resolución espacial y el muestreo de los datos.
"Presionar para obtener una recopilación de datos de mayor resolución con el tamaño del detector actual podría impedir el procesamiento útil de los datos cristalográficos porque los puntos de difracción no se resuelven suficientemente por los píxeles del detector de rayos X" advierte Zatsepin ", pero en términos de tasas de datos y rango dinámico, lo que el AGIPD es capaz de hacer es increíble "
El novedoso software de reducción de datos y análisis cristalográfico diseñado específicamente para hacer frente a los desafíos únicos de los conjuntos de datos masivos en la cristalografía XFEL, cuyo desarrollo fue liderado por colaboradores de CFEL, DESY y ASU, ha recorrido un largo camino desde la primeraresolución XFEL experimento en 2011.
"Nuestro software y las capacidades informáticas de alto rendimiento de DESY realmente se están poniendo a prueba con los volúmenes de datos sin precedentes generados en EuXFEL. Siempre es emocionante superar los límites de la tecnología de punta", agrega Zatsepin.
Proteínas de membrana: flexibles, pero formidables
Las proteínas de membrana como la PSI, llamadas así porque están incrustadas en las membranas celulares, son vitales para todos los procesos de la vida, incluida la respiración, la función nerviosa, la absorción de nutrientes y la señalización de las células. Como están en la superficie de cada célula, sontambién los objetivos farmacológicos más importantes. Más del 60% de todos los medicamentos actuales están dirigidos a proteínas de membrana. Por lo tanto, el diseño de medicamentos más efectivos con menos efectos secundarios depende de cómo se unen determinados medicamentos con sus proteínas objetivo y su estructura estructural altamente detalladaconformaciones y actividades dinámicas.
A pesar de su enorme importancia en biología, las estructuras de proteínas de membrana constituyen menos del 1% de todas las estructuras de proteínas resueltas hasta la fecha porque son notoriamente difíciles de aislar, caracterizar y cristalizar. Es por eso que importantes avances en métodos cristalográficos, como el advenimientode la cristalografía en serie de femtosegundos de proteína de membrana megahercios, sin duda va a tener un impacto significativo en la comunidad científica.
se necesita un pueblo
Estos logros recientes no serían posibles sin el esfuerzo incansable de un equipo dedicado de casi 80 investigadores de 15 instituciones, incluidos ASU, el XFEL europeo, DESY, el Centro de Ciencia de Rayos X Ultrarrápido, el Instituto Hauptman-Woodward, SUNY Buffalo, SLAC, Universidad de Hamburgo, Universidad de Goettingen, Academia de Ciencias de Hungría, Universidad de Tennessee, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Universidad de Southampton, Universidad de Tecnología de Hamburgo, Universidad de Wisconsin. El grupo de investigación incluyó colaboradores estadounidenses en NSF BioXFEL Science yEl Centro de Tecnología y un grupo de colaboradores internacionales, incluidos Adrian P. Mancuso y Romain Letrun, científicos líderes en la línea de luz EuXFEL y Oleksandr Yefanov y Anton Barty de CFEL / DESY que trabajaron estrechamente con el equipo de ASU en el análisis de datos complejos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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