In un esperimento fondamentale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, gli scienziati hanno utilizzato un laser a raggi X per catturare le prime istantanee di un'interazione chimica tra due biomolecole in tempo reale ea livello atomico. Coinvolge "riboswitch" dall'RNA batterico - mostrato qui come nuotatori sincronizzati - e una piccola molecola chiamata adenina (palline rosse). Quando i due interagiscono, i ribointerruttori si ribaltano in una forma drammaticamente diversa, e questo a sua volta cambia la forma dei cristalli in cui sono incorporati. Studi come questi, che può essere fatto solo con laser a elettroni liberi a raggi X, aprire un percorso per comprendere come funzionano l'RNA e altre biomolecole complesse, e, infine, allo sviluppo di cure per la malattia. Credito:Joseph Meyer/Frederick National Laboratory for Cancer Research
Gli scienziati hanno utilizzato il potente laser a raggi X presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia per realizzare le prime istantanee di un'interazione chimica tra due biomolecole:una che aziona un "interruttore" di RNA che regola la produzione di proteine, le molecole del cavallo di battaglia della vita.
I risultati, pubblicato oggi in Natura , mostrare il potenziale rivoluzionario dei laser a elettroni liberi a raggi X, o XFEL, per lo studio dell'RNA, che guida la produzione di proteine nella cellula, funge da materiale genetico primario nei retrovirus come l'HIV e svolge anche un ruolo nella maggior parte delle forme di cancro.
E poiché questo particolare tipo di RNA cambia, noto come riboswitch, si trova solo nei batteri, una comprensione più profonda della sua funzione può offrire un modo per disattivare la produzione di proteine e uccidere i germi nocivi senza causare effetti collaterali negli esseri umani che infettano.
"Precedenti esperimenti con il laser a raggi X di SLAC hanno studiato reazioni biologiche come la fotosintesi che sono innescate dalla luce. Ma questo è il primo ad osservarne una che è innescata dall'interazione chimica di due biomolecole in tempo reale e su scala atomica, " ha detto Yun-Xing Wang, un biologo strutturale presso il Centro per la ricerca sul cancro del National Cancer Institute che ha guidato il team di ricerca internazionale.
"Questo dimostra davvero la capacità unica offerta dai laser a elettroni liberi a raggi X che nessuna tecnologia attuale, o qualsiasi altra tecnologia all'orizzonte, può fare. È come se avessi una fotocamera con una velocità dell'otturatore molto elevata, così puoi catturare ogni mossa delle biomolecole in azione."
Gli esperimenti sono stati condotti presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Sono i primi a dimostrare come gli XFEL possono scattare istantanee e potenzialmente realizzare filmati di RNA e altre biomolecole mentre interagiscono chimicamente, offrendo scorci sui meccanismi fondamentali della cellula che non possono essere ottenuti in nessun altro modo.
Negli esperimenti presso la Linac Coherent Light Source di SLAC, cristalli di riboswitch e molecole di adenina sono stati pompati in una camera di miscelazione, dove è stato loro permesso di interagire per intervalli accuratamente temporizzati prima di essere iniettati nel percorso del raggio laser a raggi X. I raggi X sono rimbalzati sulle molecole del riboswitch e sono entrati in un rivelatore, registrando eventuali cambiamenti intervenuti nella struttura del riboswitch. Credito:Joseph Meyer/National Cancer Institute
Vedere il cambiamento di forma dell'RNA
L'RNA è una parte fondamentale del materiale genetico in tutte le cellule viventi. È disponibile in diversi tipi che lavorano insieme per guidare la produzione di proteine da parte dei ribosomi della cellula, secondo schemi codificati nel DNA.
Ma sia il DNA che l'RNA contengono anche vaste regioni che non codificano per alcuna proteina, la cosiddetta "materia oscura" genetica. Gli scienziati hanno pensato per molti anni che queste regioni non facessero nulla. Ora sanno che svolgono un ruolo importante nel determinare dove e quando i geni si accendono e si spengono e nel mettere a punto la loro funzione. La stragrande maggioranza dei tumori è dovuta a mutazioni in queste regioni non codificanti, Wang ha detto, quindi capire come funzionano queste regioni è importante per la ricerca sul cancro così come per la biologia fondamentale.
Però, capire cosa fanno le regioni non codificanti dell'RNA è difficile. Le molecole di RNA sono traballanti e flessibili, quindi è difficile incorporarli nei grandi cristalli normalmente necessari per studiare la loro struttura atomica alle sorgenti di luce a raggi X.
LCLS rimuove questa barriera consentendo agli scienziati di ottenere informazioni strutturali da molto più piccoli, cristalli di dimensioni nanometriche, che sono molto più facili da realizzare. I suoi potenti impulsi laser a raggi X, un miliardo di volte più luminoso di qualsiasi altro disponibile prima, sono così brevi che raccolgono dati da ciascun cristallo in pochi milionesimi di miliardesimo di secondo, prima che si manifestino i danni dei raggi X.
Il team di Wang ha studiato un riboswitch di Vibrio vulnificus, un batterio correlato a quello che causa il colera. Il riboswitch si trova in un lungo filamento di RNA messaggero (mRNA), che copia le istruzioni del DNA per produrre una proteina in modo che possano essere lette ed eseguite dal ribosoma. L'interruttore agisce come un termostato che regola la produzione di proteine.
In questo caso, l'mRNA guida la produzione di una proteina che a sua volta aiuta a produrre una piccola molecola chiamata adenina. Quando c'è troppa adenina nella cellula batterica, le molecole di adenina entrano nelle tasche dei ribointerruttori e capovolgono i ribointerruttori in una forma diversa, e questo cambia il ritmo della produzione di proteine e adenina.
Prime foto di un film elegante
Per gli esperimenti LCLS, i ricercatori hanno realizzato nanocristalli che hanno incorporato milioni di copie del riboswitch e li hanno mescolati con una soluzione contenente molecole di adenina. Ogni cristallo era così piccolo che l'adenina poteva penetrare rapidamente e uniformemente in ogni suo angolo, entra nelle tasche dei riboswitch e girale quasi istantaneamente, come se fossero milioni di nuotatori sincronizzati che eseguono una singola mossa impeccabile.
Gli scienziati hanno scattato istantanee di questa interazione colpendo i cristalli con impulsi laser a raggi X a intervalli accuratamente sincronizzati dopo l'inizio della miscelazione. Questo diede loro il primo assaggio di una fugace fase intermedia del processo, che si è verificato 10 secondi in. Separatamente, hanno ottenuto le prime immagini del riboswitch nella sua iniziale, stato di tasca vuota, e scoprì che esisteva in due configurazioni leggermente diverse, solo uno dei quali partecipa allo switching.
I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che l'improvviso cambiamento nella forma dei ribointerruttori è stato così drammatico da cambiare la forma dell'intero cristallo, pure. Normalmente un cambiamento importante come questo spezzerebbe il cristallo e rovinerebbe l'esperimento. Ma poiché questi cristalli erano così piccoli che si tenevano insieme, quindi il laser a raggi X potrebbe ancora ottenere informazioni strutturali da loro.
"Per me è ancora un mistero come il cristallo sia riuscito a farlo, " disse Soichi Wakatsuki, professore allo SLAC e alla Stanford School of Medicine e capo della Divisione di Bioscienze del laboratorio, che non faceva parte del gruppo di ricerca. "Questo in realtà apre molte nuove possibilità e ci offre un nuovo modo di osservare come l'RNA e le proteine interagiscono con le piccole molecole, quindi questo è molto eccitante."
