Per studiare le nanostrutture in ambienti reali, Gli scienziati del Berkeley Lab hanno combinato approcci teorici e sperimentali per intravedere l'interazione di una proteina con semplici sali nell'acqua. Grazie al software di simulazione dell'assorbimento dei raggi X sviluppato presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, questi risultati gettano nuova luce su come i sali influiscono sulla struttura delle proteine a livello atomico.
Tecniche cristallografiche tradizionali, come la diffrazione dei raggi X, fornire un profilo di materiali ordinati con strutture statiche. Però, per sistemi dinamici o complessi in cui la struttura atomica sta cambiando rapidamente, sono necessari metodi più sofisticati. Ora, Gli scienziati del Berkeley Lab hanno applicato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X per studiare una proteina modello, triglicina - una corta catena di tre molecole dell'amminoacido più semplice, glicina. Simulando lo spettro di assorbimento dei raggi X di questa molecola, il team ha mostrato come la sua catena si attorcigli e si raddrizza in risposta agli ioni in soluzione.
"Guardare una molecola in soluzione è come guardare una marionetta:puoi vederla piegarsi in risposta alla creazione e alla rottura dei legami idrogeno, "ha detto David Prendergast, uno scienziato del personale nella struttura di teoria delle nanostrutture presso la fonderia molecolare. “Una conoscenza concreta di come gli ioni influenzano questo comportamento deriva dall'utilizzo di simulazioni di dinamica molecolare, che mostrano differenze persistenti nella struttura su scale temporali di nanosecondi. Da questi dati possiamo generare spettri di assorbimento dei raggi X che possono poi essere confrontati con i risultati sperimentali”.
In un esperimento specializzato di assorbimento dei raggi X chiamato struttura fine di assorbimento dei raggi X vicino al bordo (NEXAFS), i raggi X sono usati per sondare il legame chimico e l'ambiente di elementi specifici in una molecola o nanostruttura, come gli atomi di azoto in una molecola di triglicina. Accoppiato con una tecnologia a microgetto liquido sviluppata presso i Berkeley Labs, NEXAFS è stato precedentemente utilizzato per esaminare come le proteine si dissolvono e si cristallizzano in presenza di vari ioni.
Il software di Prendergast può ora simulare i dati NEXAFS facendo la media di una serie di istantanee prese da una simulazione di dinamica molecolare di una determinata molecola. Questo software è uno strumento fondamentale per interpretare i dati NEXAFS da complessi, sistemi dinamici, poiché i tempi della sonda in queste misurazioni sono troppo lenti, secondi anziché nanosecondi, per rivelare differenze strutturali su scala nanometrica.
“Precedenti studi del nostro gruppo hanno dimostrato che lo sviluppo della spettroscopia di assorbimento dei raggi X di microgetti liquidi fornisce una nuova sonda sensibile all'atomo delle interazioni tra ioni acquosi, ma è l'avvento di questa nuova teoria che fornisce la prima interpretazione affidabile a livello molecolare di questi dati, "ha detto Richard Saykally, un chimico del Berkeley Lab e professore di chimica all'Università della California a Berkeley. "Qui vediamo questa nuova combinazione di teoria ed esperimento applicata a uno dei problemi più importanti della chimica biofisica".
Prendergast afferma che la sua tecnica di dinamica molecolare può essere utilizzata per modellare gli spettri a raggi X di un sistema biologico con struttura nota per determinare le sue interazioni locali, cosa fa sì che formi una struttura particolare, e perché assume una particolare conformazione, il tutto simulando gli spettri di una serie di istantanee individuali e confrontandole con i risultati sperimentali. Queste simulazioni sono computazionalmente intensive e si basano fortemente sull'infrastruttura di supercalcolo su larga scala fornita dal National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab.
“Sebbene questi effetti siano una parte fondamentale della natura, sono ancora poco capiti, "ha detto Craig Schwartz, un ricercatore che lavora con Prendergast e Saykally, il cui lavoro di laurea ha portato a questa pubblicazione. “La sensibilità sperimentale di NEXAFS, insieme a una svolta teorica, ci ha dato nuove informazioni su come interagiscono queste molecole”.
I ricercatori anticipano la domanda di altri gruppi che esplorano le interazioni dell'acqua (o di altri solventi), così come sia materiali morbidi (come polimeri) che materiali inorganici (ossidi e superfici metalliche) che sono direttamente rilevanti per le applicazioni legate all'energia nella catalisi, tecnologia delle batterie e fotovoltaico. Inoltre, quando le sorgenti laser a raggi X a elettroni liberi diventano disponibili per gli scienziati, sarà disponibile un set di dati sperimentali più ricco per aumentare i risultati teorici.
