I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno utilizzato la Swiss Light Source SLS per registrare una macchina energetica molecolare in azione e quindi per rivelare come funziona la produzione di energia nelle membrane cellulari. A questo scopo hanno sviluppato un nuovo metodo investigativo che potrebbe rendere l'analisi dei processi cellulari significativamente più efficace di prima. Ora hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza .

In tutti gli esseri viventi, i cambiamenti strutturali nelle proteine ​​sono responsabili di molte funzioni controllate biochimicamente, per esempio la produzione di energia alle membrane cellulari. La proteina batteriorodopsina si trova nei microrganismi che vivono sulla superficie dei laghi, flussi, e altri corpi idrici. Attivato dalla luce del sole, questa molecola pompa particelle cariche positivamente, protoni, dall'interno verso l'esterno attraverso la membrana cellulare. Mentre fai questo, cambia continuamente la sua struttura.

I ricercatori del PSI sono già stati in grado di chiarire una parte di questo processo con i laser a raggi X a elettroni liberi (FEL) come SwissFEL. Ora sono anche riusciti a registrare la parte ancora sconosciuta del processo in una specie di film molecolare. Per questo hanno adottato un metodo che in precedenza era utilizzabile solo presso i FEL e lo hanno ulteriormente sviluppato per l'uso presso la Swiss Light Source SLS. Lo studio sottolinea la sinergia tra le opzioni analitiche di queste due strutture di ricerca su larga scala del PSI. "Con il nuovo metodo di SLS, possiamo ora seguire l'ultima parte del movimento della batteriorodopsina, dove i passi sono nell'intervallo dei millisecondi, " spiega Tobias Weinert, primo autore del saggio. "Con le misurazioni ai FEL negli Stati Uniti e in Giappone, avevamo già misurato i primi due sottoprocessi prima che SwissFEL fosse commissionato, " Weinert dice. "Questi avvengono molto velocemente, entro femtosecondi in microsecondi." Un femtosecondo è un trilionesimo di secondo.

Per poter osservare tali processi, i ricercatori utilizzano la cosiddetta cristallografia "pump-probe". Con questo metodo, possono scattare istantanee dei movimenti proteici che possono poi essere assemblati in filmati. Per gli esperimenti, le proteine ​​vengono portate in forma cristallina. Un raggio laser, imitando la luce del sole, innesca la sequenza di movimenti nella proteina. I raggi X che colpiscono il campione successivamente producono immagini di diffrazione, che vengono registrati da un rilevatore ad alta risoluzione. Da questi, i computer generano un'immagine della struttura proteica in ogni momento.

Il filmato creato dalle misurazioni presso SLS mostra come la struttura della molecola di batteriorodopsina cambia nei successivi 200 millisecondi dopo essere stata attivata dalla luce. Con quello, è stato ora chiarito un cosiddetto "fotociclo" completo della molecola.

La batteriorodopsina funziona come una macchina biologica che pompa i protoni dall'interno della cellula attraverso la membrana verso l'esterno. Questo crea un gradiente di concentrazione sulla membrana cellulare. Sul suo lato esterno, ci sono più protoni che sul suo lato interno. La cellula utilizza questo gradiente per ottenere energia per il suo metabolismo consentendo ai protoni altrove di bilanciare le diverse concentrazioni esterne ed interne. Così facendo, la cellula produce ATP, una fonte di energia universale negli esseri viventi. Successivamente, la batteriorodopsina ripristina il gradiente di concentrazione.

"Nel nuovo studio, ora siamo stati in grado di vedere i più grandi cambiamenti strutturali in tempo reale in una molecola mai visti"—per "grande" lo scienziato intende nove angstrom, questo è, un milionesimo dello spessore di un capello umano. Attraverso questi cambiamenti strutturali, si apre una lacuna nella proteina in cui si forma una catena di molecole d'acqua, e questo è responsabile del trasporto del protone attraverso la membrana cellulare. "Prima di noi, nessuno aveva mai osservato direttamente questa catena d'acqua, " nota felice il biochimico.

Queste osservazioni sono state rese possibili solo dalla modifica del metodo precedentemente impiegato presso SwissFEL per l'uso presso SLS, e grazie al nuovo rivelatore "Eiger" ad alta risoluzione e veloce di SLS. Weinert è certo che il nuovo metodo di indagine per mezzo di sincrotroni come SLS ispirerà la ricerca in tutto il mondo. "I ricercatori possono utilizzare il nuovo metodo e diventare molto più efficienti, poiché nel mondo ci sono molti più sincrotroni dei laser a elettroni liberi. A parte quello, hai bisogno di meno cristalli proteici di quelli necessari per gli esperimenti ai FEL, " aggiunge Weinert.

Però, per i processi molecolari molto veloci, e per ottenere immagini particolarmente nitide e risultati precisi, i ricercatori si affidano a SwissFEL. "I processi all'inizio del fotociclo avvengono in pochi femtosecondi. È possibile osservare reazioni chimiche così rapide solo ai FEL". Inoltre, le strutture possono essere registrate con una risoluzione maggiore ai FEL. Poiché così tanti fotoni colpiscono il campione contemporaneamente all'acceleratore lineare, il rilevatore può catturare un'immagine estremamente nitida.

Weinert sottolinea la sinergia tra i due grandi centri di ricerca:"A SwissFEL, è disponibile solo una piccola quantità di tempo di trasmissione. Con le misurazioni a SLS, possiamo assicurarci in anticipo che il nostro esperimento presso SwissFEL avrà successo. Questo aumenta l'efficienza".

I ricercatori hanno ora pubblicato i risultati dello studio sulla rivista Scienza .