Portare la fisica ultraveloce alla biologia strutturale ha rivelato la danza della “coerenza” molecolare con una chiarezza senza precedenti.
Il modo in cui le molecole cambiano quando reagiscono a stimoli come la luce è fondamentale in biologia, ad esempio durante la fotosintesi. Gli scienziati hanno lavorato per svelare il funzionamento di questi cambiamenti in diversi campi e, combinando due di questi, i ricercatori hanno aperto la strada a una nuova era nella comprensione delle reazioni delle molecole proteiche fondamentali per la vita.
Il grande gruppo di ricerca internazionale, guidato dal professor Jasper van Thor del Dipartimento di scienze della vita dell’Imperial, riporta oggi i risultati sulla rivista Chimica della natura.
La cristallografia è una tecnica potente nella biologia strutturale per scattare “istantanee” di come sono disposte le molecole. Nel corso di diversi esperimenti su larga scala e anni di lavoro teorico, il team dietro il nuovo studio ha integrato questo con un’altra tecnica che mappa le vibrazioni nella configurazione elettronica e nucleare delle molecole, chiamata spettroscopia.
Dimostrando la nuova tecnica presso potenti strutture laser a raggi X in tutto il mondo, il team ha dimostrato che quando le molecole all’interno della proteina che hanno studiato sono eccitate otticamente, i loro primissimi movimenti sono il risultato della “coerenza”. Questo mostra un effetto vibrazionale, piuttosto che movimento per la parte funzionale della reazione biologica che segue.
Questa importante distinzione, mostrata sperimentalmente per la prima volta, evidenzia come la fisica della spettroscopia possa portare nuove intuizioni ai metodi cristallografici classici della biologia strutturale.
Il professor van Thor ha dichiarato: “Ogni processo che sostiene la vita è svolto dalle proteine, ma capire come queste molecole complesse svolgono il loro lavoro dipende dall’apprendimento della disposizione dei loro atomi – e di come questa struttura cambia – mentre reagiscono.
“Utilizzando i metodi della spettroscopia, ora possiamo vedere i movimenti molecolari ultraveloci che appartengono al cosiddetto processo di coerenza direttamente in forma pittorica risolvendo le loro strutture cristalline. Ora abbiamo gli strumenti per comprendere e persino controllare le dinamiche molecolari su scale temporali estremamente veloci a risoluzione quasi atomica.
“Speriamo che condividendo i dettagli metodologici di questa nuova tecnica possiamo incoraggiare i ricercatori sia nel campo della biologia strutturale risolta nel tempo che nella spettroscopia laser ultraveloce a esplorare le strutture cristallografiche delle coerenze”.
Tecniche di combinazione
La combinazione delle tecniche ha richiesto l’uso di strutture laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL), tra cui Linac Coherent Light Source (LCLS) negli Stati Uniti, SPring-8 Angstrom Compact LAser a elettroni liberi (SACLA) in Giappone, PAL- XFEL in Corea e recentemente anche l’XFEL europeo ad Amburgo.
I membri del team lavorano dal 2009 presso gli XFEL per utilizzare e comprendere i movimenti delle proteine reattive sulla scala temporale dei femtosecondi (un milionesimo di un miliardesimo di secondo), nota come femtochimica. Dopo l’eccitazione da parte di un impulso laser, vengono scattate “istantanee” della struttura utilizzando i raggi X.
Il successo iniziale con questa tecnica nel 2016 ha prodotto un quadro dettagliato del cambiamento indotto dalla luce in una proteina biologica. Tuttavia, i ricercatori dovevano ancora rispondere a una domanda chiave: qual è l’origine dei minuscoli “moti” molecolari sulla scala temporale dei femtosecondi subito dopo il primo impulso di luce laser?
Precedenti studi avevano ipotizzato che tutti i moti corrispondessero alla reazione biologica, ovvero al suo moto funzionale. Ma utilizzando il nuovo metodo, il team ha scoperto che non era così nei loro esperimenti.
Controllo coerente
Per raggiungere questa conclusione hanno creato il “controllo coerente”, modellando la luce laser per controllare i movimenti della proteina in modo prevedibile. Dopo il successo iniziale nel 2018 alla LCLS di Stanford, il controllo e la verifica del metodo hanno richiesto un totale di sei esperimenti presso le strutture XFEL in tutto il mondo, riunendo ogni volta grandi team e formando collaborazioni internazionali
Hanno quindi combinato i dati di questi esperimenti con metodi teorici modificati dalla femtochimica, al fine di applicarli ai dati cristallografici a raggi X piuttosto che ai dati spettroscopici.
La conclusione è stata che i movimenti ultraveloci misurati con squisita precisione sulla scala picometrica e sulla scala temporale dei femtosecondi non appartengono alla reazione biologica, ma piuttosto alla coerenza vibrazionale nel restante stato fondamentale.
Ciò significa che le molecole che vengono “lasciate indietro” dopo che l’impulso laser a femtosecondi è passato dominano i movimenti che vengono successivamente misurati, ma solo entro il cosiddetto tempo di coerenza vibrazionale.
Il professor van Thor ha dichiarato: “Abbiamo concluso che per il nostro esperimento, anche se non fosse incluso il controllo coerente, la misurazione convenzionale risolta nel tempo era in realtà dominata dai movimenti dello stato fondamentale del ‘reagente’ oscuro, che non sono correlati alle reazioni biologiche che sono innescati dalla luce, i moti corrispondono invece a quanto tradizionalmente misurato dalla spettroscopia vibrazionale e hanno un significato ben diverso, ma ugualmente importante
“Questo è stato effettivamente previsto sulla base del lavoro teorico svolto in precedenza, ma ora è stato dimostrato sperimentalmente. Ciò avrà un impatto significativo sia nel campo della biologia strutturale risolta nel tempo che nella spettroscopia ultraveloce, poiché abbiamo sviluppato e fornito gli strumenti per l’analisi di movimento su scala temporale ultraveloce al femtosecondo.”
Collaborazione senza precedenti
Il documento comprende 49 autori di 15 istituzioni, che coprono un lavoro di oltre sette anni, compresi gli esperimenti condotti a distanza durante la pandemia. È questo senso di collaborazione che ha reso possibile il risultato, secondo il professor van Thor.
Ha detto: “In un campo in rapida evoluzione, dove le applicazioni XFEL beamtime sono incredibilmente competitive e c’è pressione per pubblicare ogni singolo esperimento, sono estremamente grato a tutti i coautori, membri del team e collaboratori per la loro perseveranza, duro lavoro e investimento nel perseguire l’obiettivo più grande, che ha richiesto il percorso strategico e molto più lungo che abbiamo intrapreso”.
Il coautore Dr Sébastien Boutet, dello SLAC National Accelerator Laboratory, che ospita l’LCLS, ha dichiarato: “Questi risultati rappresentano ciò che è veramente unico nelle capacità dei laser a raggi X. Dimostra il tipo di conoscenza sulla biologia in movimento che può essere raggiunto solo con lampi di raggi X molto brevi e combinati con una tecnologia laser all’avanguardia.Vediamo un futuro entusiasmante di scoperte in questo settore”.
Il coautore professor Gerrit Groenhof, dell’Università di Jyväskylä, in Finlandia, ha dichiarato: “L’uso di un controllo coerente per estrarre le dinamiche molecolari rilevanti nello stato elettronico eccitato da altri movimenti indotti dal laser di eccitazione è essenziale per capire come le proteine dei fotorecettori si sono evolute per mediare il processo di fotoattivazione. Vedere un tale film molecolare di fotobiologia in azione non è solo affascinante, ma può anche essere la chiave per sbloccare i principi biologici per la progettazione di nuovi materiali sensibili alla luce”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
