Lo scienziato dello staff associato dello SLAC Thomas Joseph Lane presso lo strumento Coherent X-Ray Imaging (CXI) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS). Credito:Miyuki Dougherty/SLAC National Accelerator Laboratory
Un team di ricerca presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia sta utilizzando la Linac Coherent Light Source (LCLS) per studiare un enzima presente nelle piante, batteri e alcuni animali che riparano i danni al DNA causati dai raggi di luce ultravioletta (UV) del sole.
Studiando questo enzima, chiamata DNA fotoliasi, con gli impulsi ultraluminosi e ultraveloci del laser a raggi X LCLS, i ricercatori hanno finalmente l'opportunità di osservare l'enzima in azione mentre catalizza una reazione chimica in tempo reale e su scala atomica per risolvere dibattiti di lunga data su come funzionano questi enzimi. In definitiva, questa conoscenza potrebbe essere utilizzata per progettare versioni sintetiche migliorate di enzimi che guidano reazioni cruciali nei sistemi biologici, o per produrre nuovi enzimi che non esistono in natura.
"Le reazioni biochimiche eseguite dagli enzimi sono al centro dell'adattabilità e dell'efficienza degli esseri viventi, "dice Thomas Joseph Lane, uno scienziato del personale associato presso LCLS. "Ma i dettagli su come funzionano gli enzimi sono nascosti nei processi chimici che si verificano in tempi estremamente brevi, fino a milionesimi di miliardesimo di secondo, quindi avevamo bisogno di LCLS per rivelare i loro segreti".
Una potente macchina per le riparazioni
In pochi secondi, la luce ultravioletta del sole può danneggiare il DNA creando centinaia di collegamenti indesiderati all'interno della doppia elica del DNA. Queste modifiche rendono il materiale genetico ingombrante e illeggibile dagli strumenti di replicazione del DNA, portando a mutazioni permanenti che possono causare il cancro e altre malattie se non riparate.
Ma la stessa luce solare che trasporta i dannosi raggi UV contiene anche luce blu che può indurre la fotoliasi a riparare rapidamente qualsiasi danno al DNA.
La luce UV crea legami dannosi tra gli atomi nel blocco costitutivo del DNA timina. Un enzima chiamato fotoliasi, che viene attivato da una diversa lunghezza d'onda della luce, li taglia e ripara il danno. Credito:Dave Goodsell/PDB-101
Si pensa che la fotoliasi sia una delle ragioni per cui le piante, che hanno ore di esposizione al sole ogni giorno, sono meno suscettibili ai danni dei raggi UV rispetto agli esseri umani, che mancano di fotoliasi. Gli esseri umani e gli altri mammiferi devono ricorrere a meccanismi alternativi di riparazione del DNA (o evitare del tutto di esporsi al sole).
Utilizzo di una fotocamera a raggi X ultraveloce
Con LCLS, i ricercatori hanno ora accesso ad alcuni degli impulsi laser a raggi X più veloci e luminosi al mondo per studiare come gli esseri viventi si difendono dai danni UV.
All'inizio di quest'anno, ad esempio, un team di scienziati guidati da Thomas Wolf, uno scienziato dello staff associato presso SLAC, ha usato LCLS per vedere il primo passo di un processo protettivo che previene i danni UV nel blocco costitutivo del DNA timina.
"Prima di LCLS, altre "telecamere" a raggi X erano troppo lente, " Spiega Lane. "Cercare di fotografare con precisione enzimi e altre proteine con quelle sorgenti di raggi X sarebbe come provare a fare una ripresa d'azione di Michael Phelps che nuota con una vecchia macchina fotografica. Otterresti solo poche immagini sfocate sull'intero evento farfalla di 100 yarde, che difficilmente sarebbe una foto emozionante o informativa."
Ma con LCLS, lui dice, "Immagina una serie di scatti ad alta risoluzione in sequenza:saresti in grado di catturare ogni goccia d'acqua e ogni torsione del polso di Phelps mentre fa le farfalle. Questo è ciò che LCLS ci consente di fare quando visualizziamo l'attività enzimatica".
In alto:un'immagine al microscopio ottico di enzimi fotoliasi cristallizzati prima che vengano sondati dal laser a raggi X LCLS. In basso:un modello di diffrazione dei raggi X dai cristalli di fotoliasi. Questi modelli, prodotta dai raggi X che interagiscono con gli atomi nel cristallo, servono per determinare la struttura della molecola. Credito:Thomas Joseph Lane/SLAC National Accelerator Laboratory
Costruire enzimi migliori
In contrasto con l'esperimento di Wolf su come il DNA si protegge dai danni, Il team di Lane sta studiando come la fotoliasi ripara i danni causati dai raggi UV una volta che i meccanismi di protezione hanno fallito. La fotoliasi può essere controllata con grande precisione esponendola alla luce, rendendolo un enzima ideale da studiare utilizzando la luce generata dal laser.
Per vedere in dettaglio la chimica della fotoliasi, i ricercatori hanno attivato l'enzima con un impulso di luce attentamente controllato da un laser. Successivamente hanno esposto l'enzima all'impulso a raggi X generato da LCLS, creando un caratteristico pattern di dispersione dei raggi X in un rivelatore specializzato. L'analisi dei dati a raggi X sparsi ha rivelato cambiamenti chimici e strutturali nell'enzima a livello atomico e che si verificano su una scala temporale di un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Uno degli obiettivi finali dello studio del processo di riparazione del DNA enzimatico è quello di progettare enzimi sintetici che imitano ma sono anche migliori di quelli che si trovano in natura.
"Ci sono ancora alcune importanti lacune nella nostra comprensione di come funzionano gli enzimi, evidenziato dal fatto che gli enzimi prodotti dall'uomo devono ancora eguagliare le prestazioni della natura, " dice Lane. "Speriamo che i nostri esperimenti qui a LCLS ci aiutino a colmare queste lacune, avvicinandoci alla comprensione e allo sfruttamento della chimica che gli esseri viventi fanno ogni giorno".
