Una proteina sensibile alla luce da un amante del sale, il microbo che forma lo zolfo si è rivelato fondamentale per lo sviluppo di metodi essenziali per la scoperta avanzata di farmaci, comprendere la visione umana e altre applicazioni biomediche. In una recensione pubblicata questa settimana in Dinamiche strutturali , il fisico Marius Schmidt dell'Università del Wisconsin-Milwaukee presenta una storia di decenni di ricerca su questo microbo e le numerose nuove tecnologie che hanno consentito queste applicazioni.

Nel 1985, i ricercatori hanno scoperto che il batterio dello zolfo viola Halorhodospira halophila ha prodotto una proteina sensibile alla luce blu nota come proteina gialla fotoattiva (PYP). I cambiamenti strutturali all'interno delle torsioni e delle pieghe della proteina PYP agiscono come segnali che aiutano i batteri a rispondere agli stimoli. Questi cambiamenti strutturali, conservata attraverso molte proteine ​​simili, sono necessarie anche per la funzione di varie altre proteine, come il pigmento di rodopsina responsabile della visione in condizioni di scarsa illuminazione nell'occhio umano.

Quando viene attivato da un lampo di luce blu, PYP subisce una serie di cambiamenti strutturali che si verificano in millisecondi, formando molte strutture intermedie lungo il percorso. In quasi tre decenni, i ricercatori hanno utilizzato tecniche come la spettroscopia e le misurazioni basate sul sincrotrone per identificare ogni intermedio formato in questa piccola scala temporale.

Essere in grado di individuare questi intermedi di reazione è un passo importante nello sviluppo di farmaci perché gli stessi metodi possono essere applicati per studiare reazioni di importanza biomedica, Schmidt ha spiegato.

"Per esempio, puoi vedere come funziona un enzima correlato al cancro che catalizza una reazione specifica, " ha detto. "Ogni nuova struttura intermedia che identifichiamo potrebbe essere un potenziale bersaglio farmacologico per manipolare quella reazione".

A differenza di queste altre proteine, però, PYP è piccolo e facile da produrre in grandi quantità, rendendolo ideale per studi sperimentali sulla struttura delle proteine. Nel 1995, i ricercatori hanno determinato la struttura della proteina PYP utilizzando la cristallografia con una risoluzione di 1,4 angstrom, ovvero la dimensione dei singoli atomi. All'inizio, la maggior parte delle indagini ha utilizzato approcci basati sulla spettroscopia per comprendere i rapidi cambiamenti strutturali catalizzati dalla luce nel PYP.

Le prime indagini basate sulla struttura si basavano sul sincrotrone e sulle linee di luce basate sul sincrotrone, che utilizzano un singolo impulso a raggi X, come sorgenti luminose per studiare i cristalli proteici. Questi esperimenti hanno prodotto modelli di diffrazione per rivelare intermedi di reazione formati solo 100 picosecondi, meno di un miliardesimo di secondo, dopo la reazione fino alla fine del fotociclo. Ma osservare i punti temporali precedenti è stata una sfida tecnica.

La prima serie temporale di dati ha rivelato intermedi nella fase da 100 nanosecondi a 100 millisecondi della reazione PYP, ma rappresentava anche una sfida analitica. Poiché gli intermedi si formano e decadono così rapidamente, un campione in un dato punto porta un mix di strutture intermedie. Come potrebbero gli scienziati distinguerli?

"Fino ai primi anni 2000, come districare questa miscela era un problema irrisolto, " ha detto Schmidt. "Ma PYP ha fornito i primi set di dati da cui si può provare a farlo".

La soluzione derivava da un metodo di analisi dei componenti noto come decomposizione del valore singolare (SVD), che è stato applicato alla cristallografia risolta nel tempo da Schmidt e dai suoi colleghi.

"[SVD] può essere convenientemente utilizzato per estrarre la struttura di intermedi puri da una miscela, " ha detto Schmidt. "Si è davvero dimostrato un metodo centrale nell'analisi di questi dati e quello che ha finora il maggior numero di applicazioni".

Fino al 2013, i ricercatori avevano chiarito il fotociclo PYP con una risoluzione di 100 picosecondi; la scala temporale più rapida si è rivelata sfuggente. L'avvento del laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL), un nuovo tipo di fonte di luce, aiutato a risolvere questo problema. Utilizzando l'analisi XFEL e SVD, i ricercatori hanno ora identificato anche processi precedenti, rivelando il fondamentale, passaggi cruciali nella cis-to trans-isomerizzazione del PYP sulle scale temporali dei femtosecondi e dei picosecondi.

Reazioni simili, che sono essenziali per la visione umana, si verificano anche quando la luce colpisce la rodopsina del pigmento retinico. "Sarebbe stato molto emozionante vedere questa isomerizzazione accadere in tempo reale utilizzando XFEL, " ha detto Schmidt. "Se possiamo vederlo in PYP, possiamo forse visualizzarlo anche nella rodopsina. Il PYP ha dimostrato di essere un modello per altre reazioni che presentano la cis-transisomerizzazione".