Un team di scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University ha acquisito informazioni su come i campi elettrici influenzano il modo in cui l'energia della luce guida il movimento molecolare e la trasformazione in una proteina comunemente usata nell'imaging biologico. Una migliore comprensione di questo fenomeno, che è cruciale per molti processi che si verificano nei sistemi e nei materiali biologici, potrebbe consentire ai ricercatori di mettere a punto con precisione le proprietà di un sistema per sfruttare questi effetti, per esempio usando la luce per controllare i neuroni nel cervello. I loro risultati sono stati pubblicati in Scienza a gennaio.

Gira e grida

Visione umana, la fotosintesi e altri processi naturali raccolgono la luce con proteine ​​che contengono molecole note come cromofori, molti dei quali si attorcigliano quando la luce li colpisce. Il segno distintivo di questo movimento di torsione, chiamata fotoisomerizzazione, è quella parte della molecola che ruota attorno a un particolare legame chimico.

"Qualcosa sull'ambiente proteico sta guidando questo processo molto specifico e importante, "dice Steven Boxer, un chimico biofisico e professore di Stanford che ha supervisionato la ricerca. "Una possibilità è che la distribuzione degli atomi nello spazio molecolare blocchi o consenta la rotazione attorno a ciascun legame chimico, noto come effetto sterico. Un'alternativa ha a che fare con l'idea che quando le molecole con doppi legami sono eccitate, c'è una separazione di carica, e così i campi elettrici circostanti potrebbero favorire la rotazione di un legame sull'altro. Questo si chiama effetto elettrostatico".

Una melodia diversa

Per saperne di più su questo processo, i ricercatori hanno esaminato la proteina fluorescente verde, una proteina frequentemente utilizzata nell'imaging biologico il cui cromoforo può rispondere alla luce in diversi modi che sono sensibili al suo ambiente locale all'interno della proteina, producendo luce fluorescente di vari colori e intensità.

Gli studenti laureati di Stanford Matt Romei e Chi-Yun Lin, che ha condotto lo studio, sintonizzato le proprietà elettroniche del cromoforo all'interno della proteina introducendo gruppi chimici che sistematicamente hanno aggiunto o sottratto elettroni dal cromoforo per progettare un effetto di campo elettrico. Quindi hanno misurato come questo ha influenzato il movimento di torsione del cromoforo.

Con l'aiuto del coautore Irimpan Mathews, uno scienziato presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica a raggi X chiamata cristallografia macromolecolare alle linee di luce SSRL 7-1, 12-2 e 14-1 per mappare le strutture di queste proteine ​​sintonizzate per mostrare che questi cambiamenti hanno avuto scarso effetto sulla struttura atomica del cromoforo e della proteina circostante. Quindi, utilizzando una combinazione di tecniche, sono stati in grado di misurare in che modo i cambiamenti nella distribuzione degli elettroni del cromoforo hanno influenzato il punto in cui si è verificata la rotazione quando è stato colpito dalla luce.

"Fino ad ora, la maggior parte della ricerca sulla fotoisomerizzazione in questa particolare proteina è stata teorica o focalizzata sull'effetto sterico, "dice Romei. "Questa ricerca è una delle prime ad indagare sperimentalmente il fenomeno ea mostrare l'importanza dell'effetto elettrostatico. Una volta tracciati i dati, abbiamo visto queste tendenze davvero interessanti che suggeriscono che la regolazione delle proprietà elettroniche del cromoforo ha un enorme impatto sulle sue proprietà di isomerizzazione del legame".

Strumenti di levigatura

Questi risultati suggeriscono anche modi per progettare proteine ​​sensibili alla luce manipolando l'ambiente intorno al cromoforo. Lin aggiunge che questo stesso approccio sperimentale potrebbe essere utilizzato per studiare e controllare l'effetto elettrostatico in molti altri sistemi.

"Stiamo cercando di capire il principio che controlla questo processo, " dice Lin. "Utilizzando ciò che impariamo, speriamo di applicare questi concetti per sviluppare strumenti migliori in campi come l'optogenetica, dove puoi manipolare selettivamente i nervi per portare a determinate funzioni nel cervello."

Boxer aggiunge che l'idea che i campi elettrici organizzati all'interno delle proteine ​​siano importanti per molte funzioni biologiche è un concetto emergente che potrebbe interessare un vasto pubblico.

"Gran parte del lavoro nel nostro laboratorio si concentra sullo sviluppo di metodi per misurare questi campi e collegarli con funzioni come la catalisi enzimatica, " lui dice, "e ora vediamo che la fotoisomerizzazione si inserisce in questo quadro".