El científico asociado de SLAC Thomas Joseph Lane en el instrumento Coherent X-Ray Imaging (CXI) en Linac Coherent Light Source (LCLS). Crédito:Miyuki Dougherty / SLAC National Accelerator Laboratory
Un equipo de investigación del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía está utilizando la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) para estudiar una enzima que se encuentra en las plantas, bacterias y algunos animales que repara el daño del ADN causado por los rayos de luz ultravioleta (UV) del sol.
Al estudiar esta enzima, llamada ADN fotoliasa, con los pulsos ultrabrillantes y ultrarrápidos del láser de rayos X LCLS, los investigadores finalmente tienen la oportunidad de observar la enzima en acción mientras cataliza una reacción química en tiempo real y a escala atómica para resolver debates de larga data sobre cómo funcionan estas enzimas. Por último, este conocimiento podría usarse para diseñar versiones sintéticas mejoradas de enzimas que impulsan reacciones cruciales en sistemas biológicos, o para producir nuevas enzimas que no existen en la naturaleza.
"Las reacciones bioquímicas realizadas por las enzimas están en el corazón de la adaptabilidad y eficiencia de los seres vivos, "dice Thomas Joseph Lane, un científico asociado del personal en LCLS. "Pero los detalles de cómo funcionan las enzimas están ocultos en procesos químicos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas, hasta millonésimas de mil millonésimas de segundo, así que necesitábamos que LCLS revelara sus secretos ".
Una potente máquina de reparación
En solo unos segundos La luz ultravioleta del sol puede dañar el ADN creando cientos de enlaces no deseados dentro de la doble hélice del ADN. Estas modificaciones hacen que el material genético sea voluminoso e ilegible para las herramientas de replicación del ADN. conduciendo a mutaciones permanentes que pueden causar cáncer y otras enfermedades si no se reparan.
Pero la misma luz solar que transporta los dañinos rayos UV también contiene luz azul que puede inducir a la fotoliasa a reparar rápidamente cualquier daño en el ADN.
La luz ultravioleta crea enlaces dañinos entre los átomos en el bloque de construcción del ADN timina. Una enzima llamada fotoliasa que se activa por una longitud de onda de luz diferente, los recorta y repara el daño. Crédito:Dave Goodsell / PDB-101
Se cree que la fotoliasa es una de las razones por las que las plantas, que tienen horas de exposición al sol todos los días, son menos susceptibles al daño de los rayos UV que los humanos. que carecen de fotoliasa. Los seres humanos y otros mamíferos deben recurrir a mecanismos alternativos de reparación del ADN (o evitar por completo salir al sol).
Uso de una cámara de rayos X ultrarrápida
Con LCLS, Los investigadores ahora tienen acceso a algunos de los pulsos de láser de rayos X más rápidos y brillantes del mundo para estudiar cómo los seres vivos se defienden del daño de los rayos UV.
A principios de este año, por ejemplo, un equipo de científicos dirigido por Thomas Wolf, un científico asociado del personal en SLAC, usó LCLS para ver el primer paso de un proceso protector que previene el daño de los rayos UV en el bloque de construcción del ADN timina.
"Antes de LCLS, otras 'cámaras' de rayos X eran demasiado lentas, "Lane explica." Tratar de obtener imágenes precisas de enzimas y otras proteínas con esas fuentes de rayos X sería como intentar tomar una toma de acción de Michael Phelps nadando con una cámara vieja. Solo obtendría unas pocas imágenes borrosas en todo su evento de mariposa de 100 yardas, lo que difícilmente sería una foto interesante o informativa ".
Pero con LCLS, él dice, "Imagínese una serie de tomas de alta resolución en secuencia:podría capturar cada gota de agua y cada giro de la muñeca de Phelps mientras hace mariposas. Eso es lo que LCLS nos permite hacer cuando visualizamos la actividad enzimática".
Arriba:una imagen de microscopio óptico de enzimas fotoliasas cristalizadas antes de que sean sondadas por el láser de rayos X LCLS. Abajo:un patrón de difracción de rayos X de los cristales de fotoliasa. Estos patrones hecho por rayos X que interactúan con átomos en el cristal, se utilizan para determinar la estructura de la molécula. Crédito:Thomas Joseph Lane / SLAC National Accelerator Laboratory
Construyendo mejores enzimas
En contraste con el experimento de Wolf sobre cómo el ADN se protege a sí mismo del daño, El equipo de Lane está estudiando cómo la fotoliasa repara el daño de los rayos ultravioleta una vez que fallan los mecanismos de protección. La fotoliasa se puede controlar con gran precisión exponiéndola a la luz, por lo que es una enzima ideal para estudiar utilizando luz generada por láser.
Para ver la química de la fotoliasa en detalle, los investigadores activaron la enzima con un pulso de luz cuidadosamente controlado de un láser. Posteriormente expusieron la enzima al pulso de rayos X generado por LCLS, creando un patrón de dispersión de rayos X característico en un detector especializado. El análisis de datos de rayos X dispersos reveló cambios químicos y estructurales en la enzima a nivel atómico y que ocurren en una escala de tiempo de una millonésima de una milmillonésima de segundo.
Uno de los objetivos finales del estudio del proceso de reparación enzimática del ADN es diseñar enzimas sintéticas que imiten pero que sean incluso mejores que las que se encuentran en la naturaleza.
"Todavía existen algunas lagunas importantes en nuestra comprensión de cómo funcionan las enzimas, resaltado por el hecho de que las enzimas artificiales aún tienen que igualar el desempeño de la naturaleza, "dice Lane." Esperamos que nuestros experimentos aquí en LCLS nos ayuden a cerrar esas brechas, acercándonos a comprender y aprovechar la química que hacen los seres vivos todos los días ".
