La medusa di cristallo nuota al largo della costa del Pacifico nord-occidentale e può illuminare le acque quando viene disturbata. Quel bagliore proviene da proteine ​​che assorbono energia e poi la rilasciano sotto forma di lampi luminosi.

Per tenere traccia di molte delle attività della vita, i biologi hanno preso spunto da questa stessa medusa.

Gli scienziati hanno raccolto una delle proteine ​​trovate nelle creature marine, proteina fluorescente verde (GFP), e ha progettato un interruttore della luce molecolare che si illuminava o rimaneva scuro a seconda delle condizioni sperimentali specifiche. Le etichette luminose sono attaccate alle molecole nelle cellule viventi in modo che i ricercatori possano evidenziarle durante gli esperimenti di imaging. Usano questi marcatori fluorescenti per capire come una cellula risponde ai cambiamenti nel suo ambiente, identificare quali molecole interagiscono all'interno di una cellula e monitorare gli effetti delle mutazioni genetiche.

I ricercatori hanno studiato per decenni la GFP e altre proteine ​​fluorescenti per comprendere meglio la loro azione luminosa e migliorare la loro funzione negli studi scientifici, ma non sono mai stati in grado di osservare i cambiamenti ultraveloci che si verificano tra gli stati "off" e "on" fino ad ora.

In un recente esperimento condotto presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, un gruppo di ricerca ha utilizzato brillante, impulsi a raggi X ultraveloci dal laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC per creare un filmato ad alta velocità di una proteina fluorescente in azione. Con quelle informazioni, gli scienziati hanno iniziato a progettare un marcatore che cambia più facilmente, una qualità che può migliorare la risoluzione durante l'imaging biologico.

"Pensiamo che questo approccio aprirà un mondo di possibilità per personalizzare le proteine ​​fluorescenti, "dice Martin Weik, scienziato presso l'Istituto di Biologia Strutturale di Grenoble, Francia e uno degli autori della pubblicazione. "Non abbiamo solo la struttura della proteina fluorescente, ma ora possiamo vedere cosa sta succedendo tra uno stato statico e l'altro".

Chimica della natura ha pubblicato lo studio l'11 settembre.

Filmare un interruttore della luce molecolare

Per osservare questi stati intermedi, gli scienziati hanno avviato una reazione fotochimica nella proteina fluorescente con un laser ottico presso lo strumento Coherent X-ray Imaging presso la Linac Coherent Light Source, seguite da istantanee a raggi X a ritardi temporali distinti. Il laser ottico fornisce energia sotto forma di fotoni, imitando ciò che accade in natura.

"Gli atomi si muovono nel sito fotoattivo della molecola a causa dell'assorbimento di un fotone, "dice Sébastien Boutet, Scienziato SLAC e coautore del documento. "Questo cambiamento strutturale trasforma la proteina da uno stato oscuro a uno stato di emissione di luce (fluorescente)".

C'è un vasto corpus di letteratura che calcola cosa potrebbe accadere tra i due stati, ma nessuno studiando la proteina è stato in grado di vedere i cambiamenti strutturali nell'interruttore mentre il fotone viene assorbito. L'interruttore molecolare è stato semplicemente troppo veloce per le tradizionali tecniche di imaging a raggi X.

In questo studio, gli impulsi a raggi X a femtosecondi generati da LCLS, arrivando in appena milionesimi di miliardesimo di secondo, hanno permesso al team di creare immagini di arresto dell'azione del processo a un intervallo estremamente ravvicinato dopo che le proteine ​​sono state attivate dal laser ottico.

Una porta semiaperta

Le istantanee ad alta velocità sono state utilizzate per generare un filmato partendo dallo stato buio, e ha fornito ai ricercatori informazioni che hanno usato per progettare proteine ​​che emettono luce commutabili più efficienti. Hanno trovato un indizio nel tempo trascorso dalle molecole tra gli stati fluorescenti e non fluorescenti.

"Dopo un picosecondo, e per brevissimo tempo, questo interruttore molecolare è bloccato tra on e off, "dice Ilme Schlichting, scienziato presso l'Istituto Max-Planck di Heidelberg, Germania e uno degli autori della pubblicazione. "La gente ha previsto questo, ma visualizzare effettivamente la sua struttura è estremamente eccitante."

"È come se ci fosse una porta e non è né chiusa né completamente aperta; è semiaperta, " dice. "E ora stiamo imparando cosa può passare attraverso la porta, cosa potrebbe bloccarlo e come funziona in tempo reale."

In questo studio, gli scienziati hanno scoperto che un amminoacido bloccava la porta e impediva all'interruttore di girare il più facilmente possibile.

I ricercatori hanno accorciato l'aminoacido in una versione mutata della proteina fluorescente. Questa versione ingegnerizzata cambiava più facilmente e offriva un contrasto migliore. Questi tratti consentiranno agli scienziati di osservare l'attività cellulare con maggiore precisione.

"Il contrasto è essenziale nell'imaging. È come sullo schermo di una TV, dove vedere la foto migliore, vuoi che il buio sia estremamente scuro e il colore sia super luminoso e colorato, "dice Jacques-Philippe Colletier, uno scienziato dell'Istituto di Biologia Strutturale che ha contribuito alla ricerca.

Questo nuovo film molecolare con le proteine ​​ispirate alle meduse illumina la strada per catturare più dettagli microscopici della vita. Il team continuerà a mettere a punto la proteina per altre caratteristiche desiderate che la rendono ideale per "microscopia a super risoluzione, "un tipo di microscopia ottica in cui gli scienziati sono in grado di vedere dettagli illuminati di cellule non distinguibili con i metodi convenzionali di microscopia ottica.