Изучая этот фермент, называемый ДНК-фотолиазой, с помощью сверхъярких и сверхбыстрых импульсов рентгеновского лазера LCLS, исследователи, наконец, получили возможность наблюдать фермент в действии, поскольку он катализирует химическую реакцию в реальном времени и в атомном масштабе, чтобы разрешить давние дебаты о том, как работают эти ферменты. В конечном счете, эти знания могут быть использованы для создания улучшенных синтетических версий ферментов, которые запускают важные реакции в биологических системах, или для производства новых ферментов, не существующих в природе.
«Биохимические реакции, выполняемые ферментами, лежат в основе адаптируемости и эффективности живых существ», — говорит Томас Джозеф Лейн, младший научный сотрудник LCLS. «Но детали того, как работают ферменты, скрыты в химических процессах, которые происходят в чрезвычайно короткие сроки, вплоть до миллионных долей миллиардной секунды, поэтому нам понадобились LCLS, чтобы раскрыть их секреты».Мощная ремонтная машинаВсего за несколько секунд ультрафиолетовый свет солнца может повредить ДНК, создав сотни нежелательных связей в двойной спирали ДНК.
Эти модификации делают генетический материал громоздким и нечитаемым инструментами репликации ДНК, что приводит к постоянным мутациям, которые могут вызвать рак и другие заболевания, если их не исправить.Но тот же самый солнечный свет, который несет вредные ультрафиолетовые лучи, также содержит синий свет, который может побудить фотолиазу быстро восстанавливать любые повреждения ДНК.Считается, что фотолиаза является одной из причин, почему растения, которые ежедневно находятся на солнце часами, менее восприимчивы к ультрафиолетовому излучению, чем люди, у которых отсутствует фотолиаза. Люди и другие млекопитающие должны прибегнуть к альтернативным механизмам восстановления ДНК (или вообще избегать выхода на солнце).
Использование сверхбыстрой рентгеновской камерыБлагодаря LCLS исследователи теперь имеют доступ к одним из самых быстрых и ярких рентгеновских лазерных импульсов в мире, чтобы изучать, как живые существа защищаются от ультрафиолетового излучения.Например, в начале этого года группа ученых во главе с Томасом Вольфом, младшим научным сотрудником SLAC, использовала LCLS, чтобы увидеть первый шаг защитного процесса, который предотвращает УФ-повреждение строительного блока ДНК тимина.
«До LCLS другие рентгеновские« камеры »были слишком медленными, — объясняет Лейн. «Пытаться точно отобразить ферменты и другие белки с помощью этих источников рентгеновского излучения — все равно что попытаться сделать снимок Майкла Фелпса, плывущего с помощью старой камеры. Вы получите только несколько размытых изображений за все его 100-ярдовое событие с бабочкой, что вряд ли сделает фото захватывающим или информативным ".
Но с помощью LCLS, говорит он, «представьте себе серию последовательных снимков с высоким разрешением — вы сможете запечатлеть каждую каплю воды и каждый поворот запястья Фелпса, как он бабочки. Это то, что LCLS позволяет нам делать при визуализации ферментов. деятельность."Создание лучших ферментовВ отличие от эксперимента Вольфа о том, как ДНК защищает себя от повреждений, команда Лейна изучает, как фотолиаза восстанавливает УФ-повреждение, если защитные механизмы вышли из строя.
Фотолиазой можно с большой точностью управлять, подвергая ее воздействию света, что делает ее идеальным ферментом для изучения с использованием света, генерируемого лазером.Чтобы подробно изучить химию фотолиазы, исследователи активировали фермент тщательно контролируемым световым импульсом лазера.
Впоследствии они подвергли фермент воздействию рентгеновского импульса, генерируемого LCLS, создавая характерную картину рассеяния рентгеновских лучей в специализированном детекторе. Анализ данных рассеянного рентгеновского излучения выявил химические и структурные изменения в ферменте на атомном уровне, происходящие в масштабе времени в одну миллионную миллиардной секунды.Одна из конечных целей изучения процесса ферментативной репарации ДНК — создание синтетических ферментов, которые имитируют, но даже лучше, чем те, что встречаются в природе.
«В нашем понимании того, как работают ферменты, все еще есть серьезные пробелы, которые подчеркиваются тем фактом, что созданные человеком ферменты еще не соответствуют природным характеристикам», — говорит Лейн. «Мы надеемся, что наши эксперименты здесь, в LCLS, помогут нам преодолеть эти пробелы, приблизив нас к пониманию и использованию химии, которую живые существа делают каждый день».В исследовательскую группу, изучающую механизм восстановления фотолиазой, входят ученые из SLAC, Центра лазерных исследований на свободных электронах (CFEL) в Германии, Университета Чепмена, Королевского технологического института KTH в Стокгольме, Швеция, Государственного университета Огайо, Стэнфордского университета и Гетеборгский университет, Швеция.