Estudiar nanoestructuras en entornos reales, Los científicos de Berkeley Lab han combinado enfoques teóricos y experimentales para vislumbrar la interacción de una proteína con sales simples en el agua. Habilitado por el software de simulación de absorción de rayos X desarrollado en Molecular Foundry de Berkeley Lab, Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre cómo las sales impactan en la estructura de las proteínas a nivel atómico.
Técnicas cristalográficas tradicionales, como la difracción de rayos X, proporcionar un perfil de materiales ordenados con estructuras estáticas. Sin embargo, para sistemas dinámicos o complejos en los que la estructura atómica cambia rápidamente, se necesitan métodos más sofisticados. Ahora, Los científicos de Berkeley Lab han aplicado espectroscopía de absorción de rayos X para estudiar una proteína modelo, triglicina:una cadena corta de tres moléculas del aminoácido más simple, glicina. Al simular el espectro de absorción de rayos X de esta molécula, el equipo ha mostrado cómo su cadena se retuerce y se endereza en respuesta a los iones en solución.
"Ver una molécula en solución es como ver una marioneta:se puede ver cómo se dobla en respuesta a la formación y ruptura de enlaces de hidrógeno, "Dijo David Prendergast, un científico de planta en la Teoría de la Instalación de Nanoestructuras en la Fundición Molecular. “Un conocimiento concreto de cómo los iones influyen en este comportamiento proviene del uso de simulaciones de dinámica molecular, que muestran diferencias persistentes en la estructura en escalas de tiempo de nanosegundos. A partir de estos datos, podemos generar espectros de absorción de rayos X que luego se pueden comparar con los resultados experimentales ".
En un experimento especializado de absorción de rayos X llamado estructura fina de absorción de rayos X cerca del borde (NEXAFS), Los rayos X se utilizan para sondear los enlaces químicos y el entorno de elementos específicos en una molécula o nanoestructura. como los átomos de nitrógeno en una molécula de triglicina. Junto con una tecnología de microjet líquido desarrollada en Berkeley Labs, NEXAFS se ha utilizado anteriormente para examinar cómo las proteínas se disuelven y cristalizan en presencia de varios iones.
El software de Prendergast ahora puede simular datos de NEXAFS promediando una serie de instantáneas tomadas de una simulación de dinámica molecular de una molécula determinada. Este software es una herramienta crítica para interpretar datos NEXAFS de datos complejos, sistemas dinámicos, ya que los tiempos de la sonda en estas mediciones son demasiado lentos (segundos en lugar de nanosegundos) para revelar diferencias estructurales a nanoescala.
“Estudios previos de nuestro grupo han demostrado que el desarrollo de la espectroscopia de absorción de rayos X de microjets líquidos proporciona una nueva sonda sensible a los átomos de las interacciones entre iones acuosos, pero es el advenimiento de esta nueva teoría lo que proporciona la primera interpretación confiable a nivel molecular de estos datos, "Dijo Richard Saykally, químico del Berkeley Lab y profesor de química en la Universidad de California en Berkeley. “Aquí vemos esta nueva combinación de teoría y experimento aplicada a uno de los problemas más importantes de la química biofísica”.
Prendergast dice que su técnica de dinámica molecular se puede utilizar para modelar los espectros de rayos X de un sistema biológico con una estructura conocida para determinar sus interacciones locales. qué hace que forme una estructura particular, y por qué adquiere una conformación particular, todo simulando los espectros de una serie de instantáneas individuales y comparándolas con resultados experimentales. Estas simulaciones son computacionalmente intensivas y dependen en gran medida de la infraestructura de supercomputación a gran escala proporcionada por el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC).
“Aunque estos efectos son parte fundamental de la naturaleza, todavía son poco entendidos, "Dijo Craig Schwartz, un investigador que trabaja con Prendergast y Saykally, cuyo trabajo de posgrado condujo a esta publicación. "La sensibilidad experimental de NEXAFS, junto con un gran avance en la teoría, nos dio una nueva perspectiva de cómo interactúan estas moléculas ".
Los investigadores anticipan la demanda de otros grupos que exploran las interacciones del agua (u otros solventes), así como materiales blandos (como polímeros) y materiales inorgánicos (óxidos y superficies metálicas) que son directamente relevantes para aplicaciones relacionadas con la energía en catálisis, tecnología de baterías y energía fotovoltaica. Además, a medida que los científicos dispongan de fuentes de láser de electrones libres de rayos X, Se dispondrá de un conjunto de datos experimentales más rico para aumentar los hallazgos teóricos.
