Una proteína sensible a la luz de un microbio formador de azufre y amante de la sal ha demostrado ser clave para desarrollar métodos esenciales para el descubrimiento avanzado de fármacos, comprender la visión humana y otras aplicaciones biomédicas. En una revisión publicada esta semana en Dinámica estructural , por AIP Publishing, el físico Marius Schmidt de la Universidad de Wisconsin ‐ Milwaukee presenta una historia de décadas de investigación de este microbio y las muchas nuevas tecnologías que han permitido estas aplicaciones.
En 1985, los investigadores descubrieron que la bacteria púrpura de azufre Halorhodospira halophila producía una proteína sensible a la luz azul conocida como proteína amarilla fotoactiva PYP. Los cambios estructurales dentro de los giros y pliegues de la proteína PYP actúan como señales que ayudan a las bacterias a responder a los estímulos.Estos cambios estructurales, conservados a través de muchas proteínas similares, también son necesarios para la función de varias otras proteínas, como el pigmento de rodopsina responsable de la visión con poca luz en el ojo humano.
Cuando se activa por un destello de luz azul, el PYP sufre una serie de cambios estructurales que ocurren dentro de milisegundos, formando muchas estructuras intermedias en el camino. Durante casi tres décadas, los investigadores han utilizado técnicas como la espectroscopía y las mediciones basadas en sincrotrón para identificarcada intermedio formado dentro de esta pequeña escala de tiempo.
Ser capaz de detectar estos intermedios de reacción es un paso importante en el desarrollo de fármacos porque los mismos métodos pueden aplicarse para estudiar reacciones que son de importancia biomédica, explicó Schmidt.
"Por ejemplo, puede ver cómo funciona una enzima relacionada con el cáncer que cataliza una reacción específica", dijo. "Cada nueva estructura intermedia que identifiquemos podría ser un objetivo potencial del fármaco para manipular esa reacción".
Sin embargo, a diferencia de estas otras proteínas, el PYP es pequeño y fácil de producir en grandes cantidades, lo que lo hace ideal para estudios experimentales de la estructura de la proteína. En 1995, los investigadores determinaron la estructura de la proteína del PYP mediante cristalografía a una resolución de 1,4 angstrom.sobre el tamaño de los átomos individuales. Al principio, la mayoría de las investigaciones emplearon enfoques basados en espectroscopía para comprender los rápidos cambios estructurales catalizados por la luz en el PEP.
Las primeras investigaciones basadas en la estructura se basaron en las líneas de haz sincrotrón y sincrotrón, que utilizan un solo pulso de rayos X, como fuentes de luz para estudiar los cristales de proteínas. Estos experimentos produjeron patrones de difracción para revelar que los intermedios de reacción formaron solo 100 picosegundos, menos deuna billonésima de segundo, después de la reacción hasta el final del fotociclo. Pero observar puntos temporales anteriores fue un desafío técnico.
La primera serie temporal de datos reveló intermedios en la fase de 100 nanosegundos a 100 milisegundos de la reacción PYP, pero también planteó un desafío analítico. Debido a que los intermedios se forman y decaen tan rápidamente, una muestra en cualquier punto dado lleva una mezcla de estructuras intermedias¿Cómo podrían los científicos distinguirlos?
"Hasta principios de la década de 2000, cómo desenredar esta mezcla era un problema sin resolver", dijo Schmidt. "Pero el PEP proporcionó los primeros conjuntos de datos a partir de los cuales uno puede intentar hacer esto".
La solución surgió de un método de análisis de componentes conocido como descomposición de valor singular SVD, que Schmidt y sus colegas han aplicado a la cristalografía de resolución temporal.
"[SVD] puede usarse convenientemente para extraer la estructura de intermedios puros de una mezcla", dijo Schmidt. "Realmente ha demostrado ser un método central en el análisis de estos datos y el que tiene más aplicaciones hasta ahora."
Hasta 2013, los investigadores habían dilucidado el fotociclo PYP con una resolución de 100 picosegundos; la escala de tiempo más rápida resultó difícil de alcanzar. El advenimiento del láser de electrones sin rayos X XFEL, un nuevo tipo de fuente de luz, ayudó a resolver estoAl utilizar el análisis XFEL y SVD, los investigadores ahora también han identificado procesos anteriores, revelando los pasos fundamentales y cruciales en la isomerización cis a trans del PYP en las escalas de tiempo de femtosegundos y picosegundos.
Reacciones similares, que son esenciales para la visión humana, también ocurren cuando la luz incide en el pigmento retiniano rodopsina. "Hubiera sido muy emocionante ver esta isomerización en tiempo real usando XFEL", dijo Schmidt. "Si podemos verloen PYP, tal vez podamos visualizarlo también en rodopsina. PYP ha demostrado ser un modelo a seguir para otras reacciones que presentan isomerización cis-trans ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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