Aequorea victoria, también llamada gelatina de cristal, es una medusa bioluminiscente que vive cerca de la costa del Pacífico de América del Norte. Crédito:Gary Kavanagh / iStockphoto.com
La medusa de cristal nada frente a la costa del noroeste del Pacífico y puede iluminar las aguas cuando se la molesta. Ese brillo proviene de proteínas que absorben energía y luego la liberan como destellos brillantes.
Para rastrear muchas de las actividades de la vida, Los biólogos siguieron el ejemplo de esta misma medusa.
Los científicos recolectaron una de las proteínas que se encuentran en las criaturas marinas, proteína verde fluorescente (GFP), y diseñó un interruptor de luz molecular que brillaría o permanecería oscuro dependiendo de las condiciones experimentales específicas. Las etiquetas brillantes están adheridas a moléculas en células vivas para que los investigadores puedan resaltarlas durante los experimentos de imágenes. Utilizan estos marcadores fluorescentes para comprender cómo responde una célula a los cambios en su entorno, identificar qué moléculas interactúan dentro de una célula y rastrear los efectos de las mutaciones genéticas.
Los investigadores han estudiado la GFP y otras proteínas fluorescentes durante décadas para comprender mejor su acción brillante y mejorar su función en estudios científicos. pero nunca han podido observar los cambios ultrarrápidos que ocurren entre los estados "apagado" y "encendido" hasta ahora.
En un experimento reciente realizado en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, un equipo de investigación utilizó brillante, pulsos de rayos X ultrarrápidos del láser de electrones libres de rayos X de SLAC para crear una película de alta velocidad de una proteína fluorescente en acción. Con esa información, los científicos comenzaron a diseñar un marcador que cambia más fácilmente, una calidad que puede mejorar la resolución durante la obtención de imágenes biológicas.
"Creemos que este enfoque abrirá un mundo de posibilidades para adaptar las proteínas fluorescentes, "dice Martin Weik, científico del Instituto de Biología Estructural de Grenoble, Francia y uno de los autores de la publicación. "No solo tenemos la estructura de la proteína fluorescente, pero ahora podemos ver lo que está sucediendo entre un estado estático y el otro ".
Química de la naturaleza publicó el estudio el 11 de septiembre.
Filmar un interruptor de luz molecular
Para observar estos estados intermedios, los científicos iniciaron una reacción fotoquímica en la proteína fluorescente con un láser óptico en el instrumento de imágenes de rayos X coherentes en la fuente de luz coherente Linac, seguido de instantáneas de rayos X en distintos retrasos de tiempo. El láser óptico proporciona energía en forma de fotones, imitando lo que sucede en la naturaleza.
"Los átomos se mueven en el sitio fotoactivo de la molécula como resultado de la absorción de un fotón, "dice Sebastien Boutet, Científico de SLAC y coautor del artículo. "Este cambio estructural hace que la proteína pase de un estado oscuro a un estado emisor de luz (fluorescente)".
El instrumento Coherent X-Ray Imaging (CXI) utiliza los brillantes pulsos de rayos X duros de la fuente de luz coherente Linac. El equipo está diseñado para experimentos de cristalografía de rayos X. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Existe una gran cantidad de literatura que calcula lo que podría suceder entre los dos estados, pero nadie que estudió la proteína pudo ver los cambios estructurales en el interruptor a medida que se absorbe el fotón. El cambio molecular fue demasiado rápido para las técnicas tradicionales de imágenes de rayos X.
En este estudio, los pulsos de rayos X de femtosegundos generados por LCLS, que llegan en solo una millonésima de mil millonésima de segundo, permitieron al equipo crear imágenes de parada de acción del proceso en un intervalo extremadamente cercano después de que las proteínas fueran activadas por el láser óptico.
Una puerta entreabierta
Las instantáneas de alta velocidad se utilizaron para generar una película a partir del estado oscuro, y les dio a los investigadores información que utilizaron para diseñar proteínas emisoras de luz conmutables más eficientes. Encontraron una pista en el tiempo que las moléculas pasaban entre estados fluorescentes y no fluorescentes.
"Después de un picosegundo, y por muy poco tiempo, este interruptor molecular está atascado entre encendido y apagado, "dice Ilme Schlichting, científico del Instituto Max-Planck de Heidelberg, Alemania y uno de los autores de la publicación. "La gente ha predicho esto, pero visualizar realmente su estructura es extremadamente emocionante ".
"Es como si hubiera una puerta y no estuviera cerrada ni completamente abierta; está medio abierta, ", dice." Y ahora estamos aprendiendo qué puede atravesar la puerta, qué podría estar bloqueándolo y cómo funciona en tiempo real ".
En este estudio, los científicos descubrieron que un aminoácido bloqueaba la puerta e impedía que el interruptor se moviera lo más fácilmente posible.
Los investigadores acortaron el aminoácido en una versión mutada de la proteína fluorescente. Esta versión de ingeniería cambiaba más fácilmente y ofrecía un mejor contraste. Estos rasgos permitirán a los científicos observar la actividad celular con mayor precisión.
"El contraste es esencial en las imágenes. Es como en una pantalla de TV, donde ver la mejor foto, desea que la oscuridad sea extremadamente oscura y que el color sea súper brillante y colorido, "dice Jacques-Philippe Colletier, un científico del Instituto de Biología Estructural que contribuyó a la investigación.
Esta nueva película molecular que presenta las proteínas inspiradas en las medusas ilumina el camino para capturar más detalles microscópicos de la vida. El equipo continuará afinando la proteína para otras características deseadas que la hacen ideal para "microscopía de superresolución, "un tipo de microscopía óptica en la que los científicos pueden ver detalles iluminados de células que no se pueden distinguir con los métodos convencionales de microscopía óptica.
