2019-07-08 06:09:01
分子能机作为电影明星

Paul Scherrer Institute PSI的研究人员使用Swiss Light Source SLS记录分子能量机器,从而揭示细胞膜的能量产生是如何起作用的。为此,他们开发了一种新的研究方法,可以使细胞过程的分析比以前更有效。他们现在已经在科学杂志上发表了他们的研究结果

在所有生物中,蛋白质的结构变化是许多生化控制功能的原因,例如细胞膜上的能量产生。蛋白质细菌视紫红质存在于生活在湖泊,溪流和其他水体表面的微生物中。在阳光下激活,这种分子通过细胞膜从内到外泵送带正电的粒子,质子。在这样做的同时,它不断改变其结构。

PSI研究人员已经能够在SwissFEL等自由电子X射线激光器(FEL)上阐明这一过程的一部分。现在,他们还成功地在一部分子电影中记录了这个过程中尚不为人知的部分。为此他们采用了一种以前只能在FEL上使用的方法,并进一步开发用于瑞士光源SLS。该研究强调了PSI这两个大型研究机构的分析方案之间的协同作用。 “通过SLS的新方法,我们现在可以跟踪细菌视紫红质运动的最后一部分,其中步骤在毫秒范围内,”该论文的第一作者Tobias Weinert解释道。 “通过在美国和日本的FEL测量,我们已经在SwissFEL投入使用之前测量了前两个子过程,”Weinert说。 “这些发生得非常快,在飞秒到微秒之内。”飞秒是万亿分之一秒。

为了能够观察到这些过程,研究人员使用所谓的“泵 - 探针”晶体学。通过这种方法,他们可以拍摄蛋白质运动的快照,然后将其组合成电影。对于实验,蛋白质被制成晶体形式。模仿太阳光的激光束会触发蛋白质的运动顺序。之后撞击样品的X射线产生衍射图像,其由高分辨率检测器记录。由此,计算机在每个时间点生成蛋白质结构的图像。

根据SLS测量结果创建的电影显示细菌视紫红质分子的结构在被光激活后的200毫秒内如何变化。由此,现在已经阐明了分子的完整所谓的“光循环”。

细菌视紫红质作为生物机器起作用,将质子从细胞内部通过膜泵送到外部。这在细胞膜上产生浓度梯度。在它的外侧,有更多的质子而不是在其内侧。细胞利用这种梯度通过允许其他地方的质子平衡外部和内部不同的浓度来获得其代谢能量。在这样做的过程中,细胞产生ATP,这是生物中的通用能源。随后,细菌视紫红质恢复浓度梯度。

“在新的研究中,我们现在能够看到分子中最大的实时结构变化” - “大”科学家意味着9埃,即人类头发厚度的百万分之一。通过这些结构变化,在蛋白质中形成间隙,其中形成水链分子,这是质子通过细胞膜转运的原因。 “在我们之前,没有人直接观察过这条水链,”生物化学家高兴地指出。

这些观察结果只能通过修改先前在SwissFEL上用于SLS的方法来实现,并且得益于SLS上新的高分辨率和快速“Eiger”探测器。 Weinert确信通过像SLS这样的同步加速器进行研究的新方法将激发全世界的研究。 “研究人员可以使用这种新方法,并且效率更高,因为全世界有比自由电子激光更多的同步加速器。除此之外,你需要的蛋白质晶体少于FEL实验所需的蛋白质晶体,”Weinert补充道。

然而,对于非常快速的分子过程,以及获得特别清晰的图像和精确结果,研究人员依赖SwissFEL。 “光循环开始时的过程发生在飞秒上。只有在FELs才能观察到这种快速的化学反应。”此外,可以在FEL上以更高的分辨率记录结构。由于如此多的光子在线性加速器上同时撞击样品,因此探测器可以捕获极其清晰的图像。

Weinert强调两个大型研究设施之间的协同作用:“在SwissFEL,只有少量的光束时间可用。通过SLS的测量,我们可以提前确保我们在SwissFEL的实验将取得成功。这提高了效率“。

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