Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han utilizado la fuente de luz suiza SLS para registrar una máquina de energía molecular en acción y así revelar cómo funciona la producción de energía en las membranas celulares. Para ello, desarrollaron un nuevo método de investigación que podría hacer que el análisis de los procesos celulares fuera significativamente más eficaz que antes. Ahora han publicado sus resultados en la revista. Ciencias .

En todos los seres vivos Los cambios estructurales en las proteínas son responsables de muchas funciones controladas bioquímicamente. por ejemplo, producción de energía en las membranas celulares. La proteína bacteriorrodopsina se encuentra en microorganismos que viven en la superficie de los lagos, arroyos, y otros cuerpos de agua. Activado por la luz del sol, esta molécula bombea partículas cargadas positivamente, protones, de adentro hacia afuera a través de la membrana celular. Mientras haces esto, está cambiando constantemente su estructura.

Los investigadores de PSI ya pudieron dilucidar una parte de este proceso en láseres de rayos X de electrones libres (FEL) como SwissFEL. Ahora también han logrado grabar la parte aún desconocida del proceso en una especie de película molecular. Para ello, tomaron un método que antes solo se podía utilizar en los FEL y lo desarrollaron aún más para su uso en Swiss Light Source SLS. El estudio subraya la sinergia entre las opciones analíticas en estas dos instalaciones de investigación a gran escala en PSI. "Con el nuevo método de SLS, ahora podemos seguir la última parte del movimiento de bacteriorrodopsina, donde los pasos están en el rango de milisegundos, "explica Tobias Weinert, primer autor del artículo. "Con mediciones en FEL en EE. UU. Y Japón, ya habíamos medido los dos primeros subprocesos antes de la puesta en servicio de SwissFEL, ", Dice Weinert." Estos se llevan a cabo muy rápido, dentro de femtosegundos a microsegundos. "Un femtosegundo es una billonésima de segundo.

Para poder observar tales procesos, los investigadores utilizan la denominada cristalografía de "bomba-sonda". Con este método, pueden tomar instantáneas de los movimientos de las proteínas que luego se pueden ensamblar en películas. Para los experimentos, las proteínas se transforman en cristales. Un rayo láser imitando la luz del sol, desencadena la secuencia de movimientos en la proteína. Los rayos X que inciden en la muestra posteriormente producen imágenes de difracción, que son registrados por un detector de alta resolución. A partir de estos, las computadoras generan una imagen de la estructura de la proteína en cada momento.

La película creada a partir de las mediciones en SLS muestra cómo cambia la estructura de la molécula de bacteriorrodopsina en los siguientes 200 milisegundos después de que es activada por la luz. Con ese, ahora se ha dilucidado un denominado "fotociclo" completo de la molécula.

La bacteriorrodopsina funciona como una máquina biológica que bombea protones desde el interior de la célula a través de la membrana hacia el exterior. Esto crea un gradiente de concentración en la membrana celular. En su lado exterior, hay más protones que en su lado interno. La célula usa este gradiente para ganar energía para su metabolismo al permitir que los protones de otras partes equilibren las diferentes concentraciones externa e internamente. Al hacerlo, la célula produce ATP, una fuente de energía universal en los seres vivos. Después, la bacteriorrodopsina restaura el gradiente de concentración.

"En el nuevo estudio, ahora pudimos ver los cambios estructurales en tiempo real más grandes en una molécula "; por" grande ", el científico se refiere a nueve angstroms, es decir, una millonésima parte del grosor de un cabello humano. A través de estos cambios estructurales, se abre una brecha en la proteína en la que se forma una cadena de moléculas de agua, y este es el responsable del transporte de protones a través de la membrana celular. "Antes que nosotros, nadie había observado esta cadena de agua directamente, "El bioquímico observa alegremente.

Estas observaciones fueron posibles solo por la modificación del método previamente empleado en SwissFEL para su uso en SLS, y gracias al nuevo detector "Eiger" rápido y de alta resolución de SLS. Weinert está seguro de que el nuevo método de investigación mediante sincrotrones como SLS inspirará la investigación en todo el mundo. "Los investigadores pueden utilizar el nuevo método y ser mucho más eficientes, dado que en todo el mundo hay muchos más sincrotrones que láseres de electrones libres. Aparte de eso, necesita menos cristales de proteína de los que se requieren para los experimentos en los FEL, ", Agrega Weinert.

Sin embargo, para los procesos moleculares muy rápidos, y para obtener imágenes especialmente nítidas y resultados precisos, los investigadores confían en SwissFEL. "Los procesos al comienzo del fotociclo tienen lugar en cuestión de femtosegundos. Solo es posible observar reacciones químicas tan rápidas en los FEL". Además, las estructuras se pueden grabar con mayor resolución en los FEL. Debido a que tantos fotones golpean la muestra a la vez en el acelerador lineal, el detector puede capturar una imagen extremadamente nítida.

Weinert enfatiza la sinergia entre las dos instalaciones de investigación a gran escala:"En SwissFEL, sólo se dispone de una pequeña cantidad de tiempo de haz. Con las mediciones en SLS, podemos asegurarnos de antemano que nuestro experimento en SwissFEL será un éxito. Esto aumenta la eficiencia ".

Los investigadores han publicado ahora los resultados del estudio en la revista Ciencias .