Οι επιστήμονες σχεδιάζουν λαμπερά μόρια χάριν στο φθορισμό της μέδουσας.

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν λαμπερά μόρια χάριν στο φθορισμό της μέδουσας.

Οι κρυστάλλινες μέδουσες κολυμπούν στην ακτή του Βορειοδυτικού Ειρηνικού και μπορούν να φωτίσουν τα νερά όταν διαταράσσονται. Αυτή η λάμψη προέρχεται από πρωτεΐνες που απορροφούν ενέργεια και στη συνέχεια απελευθερώνουν τη φωτεινή λάμψη.

Για να παρακολουθήσουν πολλές από τις δραστηριότητες της ζωής, οι βιολόγοι πήραν ορισμένα βασικά στοιχεία από την ίδια μέδουσα.

Οι επιστήμονες συνέλεξαν μία από τις πρωτεΐνες που βρέθηκαν στα πλάσματα της θάλασσας, την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP) και σχεδίασαν ένα μοριακό διακόπτη φωτός που θα λάμπει ή θα παραμένει σκοτεινό ανάλογα με συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες. Οι λαμπερές ετικέτες συνδέονται με μόρια σε ζωντανά κύτταρα, έτσι ώστε οι ερευνητές να μπορούν να τον επισημάνουν κατά τη διάρκεια πειραμάτων απεικόνισης.

Χρησιμοποιούν αυτούς τους δείκτες φθορισμού για να κατανοήσουν πώς ένα κύτταρο ανταποκρίνεται στις αλλαγές στο περιβάλλον του, να προσδιορίσει ποια μόρια αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα κύτταρο και να παρακολουθήσουν τις επιπτώσεις των γενετικών μεταλλάξεων.

Οι ερευνητές μελέτησαν την GFP και άλλες φθορίζουσες πρωτεΐνες εδώ και δεκαετίες για να κατανοήσουν καλύτερα τη λαμπερή τους δράση και να βελτιώσουν τη λειτουργία τους στις επιστημονικές μελέτες, αλλά ποτέ δεν κατάφεραν να παρατηρήσουν τις εξαιρετικά γρήγορες αλλαγές που συμβαίνουν μέχρι σήμερα.

Σε ένα πρόσφατο πείραμα που διεξήχθη στο εργαστήριο SLAC του Εθνικού Επιταχυντή του Τμήματος Ενέργειας, μια ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε λαμπρές ακτίνες Χ από το λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου ακτίνων Χ της SLAC για να δημιουργήσει μια ταινία υψηλής ταχύτητας μιας φθορίζουσας πρωτεΐνης σε δράση. Με αυτές τις πληροφορίες, οι επιστήμονες άρχισαν να σχεδιάζουν ένα δείκτη που αλλάζει πιο εύκολα, μια ποιότητα που μπορεί να βελτιώσει την ανάλυση κατά τη διάρκεια της βιολογικής απεικόνισης.

“Πιστεύουμε ότι αυτή η προσέγγιση θα ανοίξει έναν κόσμο δυνατοτήτων για την προσαρμογή των φθοριζουσών πρωτεϊνών”, λέει ο Martin Weik, επιστήμονας στο Ινστιτούτο Διαρθρωτικής Βιολογίας στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας και ένας από τους συγγραφείς της έκδοσης. “Δεν έχουμε μόνο τη δομή της φθορίζουσας πρωτεΐνης, αλλά τώρα μπορούμε να δούμε τι συμβαίνει μεταξύ μιας στατικής κατάστασης και μιας άλλης.”

Για να παρατηρήσουν αυτές τις ενδιάμεσες καταστάσεις, οι επιστήμονες ξεκίνησαν μια φωτοχημική αντίδραση στη φθορίζουσα πρωτεΐνη με ένα οπτικό λέιζερ στο όργανο Coherent Imaging Imaging στην συνεκτική φωτεινή πηγή Linac, ακολουθούμενη από στιγμιότυπα ακτίνων Χ σε ξεχωριστές χρονικές καθυστερήσεις. Το οπτικό λέιζερ παρέχει ενέργεια με τη μορφή φωτονίων, μιμώντας τι συμβαίνει στη φύση.

“Τα άτομα μετακινούνται στη φωτοενεργή περιοχή του μορίου ως αποτέλεσμα της απορρόφησης ενός φωτονίου”, λέει ο Sebastien Boutet, επιστήμονας SLAC και συν-συγγραφέας του εγγράφου. “Αυτή η δομική αλλαγή μετατρέπει την πρωτεΐνη από μια σκοτεινή κατάσταση σε μια κατάσταση εκπομπής φωτός (φθορισμού).”

Μέχρι πρότινος κανείς που μελετά την πρωτεΐνη δεν ήταν σε θέση να δει τις δοκιμαστικές αλλαγές στον διακόπτη καθώς απορροφάται το φωτόνιο. Ο μοριακός διακόπτης ήταν πολύ γρήγορος για τις παραδοσιακές τεχνικές απεικόνισης ακτίνων Χ.

Σε αυτή τη μελέτη, οι παλμοί ακτίνων Χ femtosecond που παρήχθησαν από LCLS – έφτασαν σε εκατομμύρια εντός του ενός δευτερολέπτου- επιτρέποντας στην ομάδανα δημιουργήσει εικόνες ακινητοποίησης της διαδικασίας σε εξαιρετικά κοντινό διάστημα μετά την ενεργοποίηση των πρωτεϊνών από το οπτική λέιζερ.

Τα στιγμιότυπα υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιήθηκαν για να δημιουργήσουν μια ταινία ξεκινώντας από τη σκοτεινή κατάσταση και έδωσαν στους ερευνητές πληροφορίες που χρησιμοποίησαν για να σχεδιάσουν αποτελεσματικότερες μεταβλητές πρωτεΐνες που εκπέμπουν φως. Βρήκαν μια ένδειξη κατά το χρόνο που τα μόρια ξοδεύτηκαν μεταξύ καταστάσεων φθορισμού και μη φθορισμού.

“Μετά από ένα picosecond και για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, αυτός ο μοριακός διακόπτης είναι κολλημένος ανάμεσα και εκτός”, λέει ο Ilme Schlichting, επιστήμονας στο Ινστιτούτο Max-Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. “Οι άνθρωποι το έχουν προβλέψει αυτό, αλλά για να απεικονίσει πραγματικά τη δομή του είναι εξαιρετικά δύσκολο και συνάμα συναρπαστικό.

“Είναι σαν να υπάρχει μια πόρτα και δεν είναι ούτε κλειστή ούτε εντελώς ανοιχτή, είναι μισή ανοικτή”, λέει. “Και τώρα μαθαίνουμε τι μπορεί να περάσει από την πόρτα, τι μπορεί να την εμποδίζει και πώς λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο”.

Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ένα αμινοξύ μπλοκάρει την πόρτα και εμποδίζει τον διακόπτη από το να γυρίζει όσο πιο εύκολα γίνεται.

Οι ερευνητές συντομεύουν το αμινοξύ σε μεταλλαγμένη μορφή της φθορίζουσας πρωτεΐνης. Αυτή η μηχανική έκδοση άλλαξε πιο εύκολα και έδωσε καλύτερη αντίθεση. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να παρατηρούν την κυτταρική δραστηριότητα με μεγαλύτερη ακρίβεια.

“Η αντίθεση είναι απαραίτητη για την απεικόνιση, όπως στην οθόνη της τηλεόρασης, για να δείτε την καλύτερη εικόνα, θέλετε το σκοτάδι να είναι εξαιρετικά σκοτεινό και το χρώμα να είναι εξαιρετικά φωτεινό και πολύχρωμο”, λέει ο Jacques-Philippe Colletier, επιστήμονας στο Ινστιτούτο Δομικής Βιολογίας που συνέβαλε στην έρευνα.

Αυτή η νέα μοριακή ταινία που χαρακτηρίζει τις πρωτεΐνες που εμπνέουν τις μεδάλουλες, φωτίζει το δρόμο για την καταγραφή περισσότερων μικροσκοπικών λεπτομερειών της ζωής. Η ομάδα θα συνεχίσει να τελειοποιεί την πρωτεΐνη για άλλα επιθυμητά χαρακτηριστικά που την καθιστούν ιδανική για «μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης», ένα είδος μικροσκοπίας φωτός όπου οι επιστήμονες μπορούν να δουν φωτισμένες λεπτομέρειες των κυττάρων που δεν διακρίνονται από τις συμβατικές μεθόδους μικροσκοπίας φωτός.

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Παρακαλώ εισάγετε το σχόλιο σας!
Παρακαλώ εισάγετε το όνομά σας