Una proteína sensible a la luz de un amante de la sal, microbio formador de azufre ha demostrado ser clave para desarrollar métodos esenciales para el descubrimiento avanzado de fármacos, comprender la visión humana y otras aplicaciones biomédicas. En una reseña publicada esta semana en Dinámica estructural , El físico Marius Schmidt de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee presenta una historia de décadas de investigación de este microbio y las muchas tecnologías nuevas que han permitido estas aplicaciones.

En 1985, Los investigadores encontraron que la bacteria de azufre púrpura Halorhodospira halophila produjo 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, PYP sufre una serie de cambios estructurales que ocurren en milisegundos, formando muchas estructuras intermedias a lo largo del camino. Durante casi tres décadas, Los investigadores han utilizado técnicas como la espectroscopia y las mediciones basadas en sincrotrón para identificar cada intermedio formado dentro de esta pequeña escala de tiempo.

Ser capaz de detectar estos intermediarios de reacción es un paso importante en el desarrollo de fármacos porque los mismos métodos se pueden aplicar luego para estudiar reacciones que son de importancia biomédica. Schmidt explicó.

"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 farmacológico potencial para manipular esa reacción ".

A diferencia de estas otras proteínas, sin embargo, PYP es pequeño y fácil de producir en grandes cantidades, haciéndolo ideal para estudios experimentales de estructura de proteínas. En 1995, los investigadores determinaron la estructura de la proteína PYP mediante cristalografía a una resolución de 1,4 angstrom, que es aproximadamente el tamaño de los átomos individuales. En primer lugar, 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 estructuras se basaron en el sincrotrón y las líneas de luz basadas en sincrotrón, que utilizan un solo pulso de rayos X, como fuentes de luz para estudiar cristales de proteínas. Estos experimentos produjeron patrones de difracción para revelar intermedios de reacción formados solo 100 picosegundos, menos de una mil millonésima de segundo, después de la reacción hasta el final del fotociclo. Pero observar puntos de tiempo 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 del PEP, pero también planteó un desafío analítico. Debido a que los productos intermedios se forman y decaen tan rápidamente, una muestra en un 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 PYP proporcionó los primeros conjuntos de datos a partir de los cuales se puede intentar hacer esto ".

La solución surgió de un método de análisis de componentes conocido como descomposición de valor singular (SVD), que ha sido aplicado a la cristalografía de resolución temporal por Schmidt y sus colegas.

"[SVD] se puede utilizar convenientemente para extraer la estructura de intermedios puros de una mezcla, ", Dijo Schmidt." Realmente ha demostrado ser un método central para analizar estos datos y el que tiene más aplicaciones hasta ahora ".

Hasta 2013, los investigadores habían dilucidado el fotociclo del PEP con una resolución de 100 picosegundos; la escala de tiempo más rápida resultó esquiva. La llegada del láser de electrones libres de rayos X (XFEL), un nuevo tipo de fuente de luz, ayudó a resolver este problema. Al utilizar el análisis XFEL y SVD, Los investigadores ahora también han identificado procesos anteriores, revelando lo fundamental, pasos cruciales en la isomerización cis a trans de 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 que esta isomerización ocurriera en tiempo real usando XFEL, ", Dijo Schmidt." Si podemos verlo en el PEP, quizás podamos visualizarlo también en rodopsina. PYP ha demostrado ser un modelo a seguir para otras reacciones que presentan isomerización cis-trans ".