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Trazer a física ultrarrápida para a biologia estrutural revelou a dança da ‘coerência’ molecular com clareza sem precedentes.
Como as moléculas mudam quando reagem a estímulos como a luz é fundamental na biologia, por exemplo durante a fotossíntese. Os cientistas têm trabalhado para desvendar o funcionamento dessas mudanças em vários campos e, ao combinar dois deles, os pesquisadores abriram caminho para uma nova era na compreensão das reações de moléculas de proteínas fundamentais para a vida.
A grande equipe de pesquisa internacional, liderada pelo professor Jasper van Thor, do Departamento de Ciências da Vida da Imperial, relata seus resultados hoje na revista Química da Natureza.
A cristalografia é uma técnica poderosa em biologia estrutural para tirar ‘instantâneos’ de como as moléculas são arranjadas. Ao longo de vários experimentos em larga escala e anos de trabalho teórico, a equipe por trás do novo estudo integrou isso a outra técnica que mapeia vibrações na configuração eletrônica e nuclear de moléculas, chamada espectroscopia.
Demonstrando a nova técnica em poderosas instalações de laser de raios-X em todo o mundo, a equipe mostrou que quando as moléculas dentro da proteína que eles estudaram são opticamente excitadas, seus primeiros movimentos são o resultado de ‘coerência’. Isso mostra um efeito vibratório, em vez de movimento para a parte funcional da reação biológica que se segue.
Esta distinção importante, mostrada experimentalmente pela primeira vez, destaca como a física da espectroscopia pode trazer novos insights para os métodos clássicos de cristalografia da biologia estrutural.
O professor van Thor disse: “Todo processo que sustenta a vida é realizado por proteínas, mas entender como essas moléculas complexas fazem seu trabalho depende de aprender o arranjo de seus átomos – e como essa estrutura muda – à medida que reagem.
“Usando métodos de espectroscopia, agora podemos ver movimentos moleculares ultrarrápidos que pertencem ao chamado processo de coerência diretamente na forma pictórica, resolvendo suas estruturas cristalinas. Agora temos as ferramentas para entender e até controlar a dinâmica molecular em escalas de tempo extremamente rápidas em resolução quase atômica.
“Esperamos que, ao compartilhar os detalhes metodológicos desta nova técnica, possamos encorajar os pesquisadores nos campos da biologia estrutural resolvida no tempo, bem como na espectroscopia a laser ultrarrápida, a explorar as estruturas cristalográficas de coerências”.
Combinando técnicas
Combinando as técnicas necessárias para o uso de instalações de laser de elétrons livres de raios X (XFEL), incluindo a Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) nos EUA, o LAser de elétrons livres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) no Japão, o PAL- XFEL na Coréia e recentemente também o XFEL europeu em Hamburgo.
Os membros da equipe trabalham desde 2009 em XFELs para usar e entender os movimentos das proteínas que reagem na escala de tempo de femtosegundo (um milionésimo de um bilionésimo de segundo), conhecida como femtoquímica. Após a excitação por um pulso de laser, ‘instantâneos’ da estrutura são obtidos usando raios-X.
O sucesso inicial com essa técnica em 2016 resultou em uma imagem detalhada da mudança induzida pela luz em uma proteína biológica. No entanto, os pesquisadores ainda precisavam abordar uma questão-chave: qual é a origem dos minúsculos ‘movimentos’ moleculares na escala de tempo de femtossegundos logo após o primeiro pulso de luz do laser?
Estudos anteriores assumiram que todos os movimentos correspondem à reação biológica, ou seja, seu movimento funcional. Mas, usando o novo método, a equipe descobriu que esse não era o caso em seus experimentos.
controle coerente
Para chegar a essa conclusão, eles criaram o ‘controle coerente’ – moldando a luz do laser para controlar os movimentos da proteína de maneira previsível. Após o sucesso inicial em 2018 na LCLS em Stanford, a verificação e verificação do método exigiu um total de seis experimentos nas instalações da XFEL em todo o mundo, sempre reunindo grandes equipes e formando colaborações internacionais
Eles então combinaram os dados desses experimentos com métodos teóricos modificados da femtoquímica, a fim de aplicá-los a dados cristalográficos de raios-X em vez de dados espectroscópicos.
A conclusão foi que os movimentos ultrarrápidos medidos com precisão requintada na escala do picômetro e na escala de tempo de femtossegundos não pertencem à reação biológica, mas sim à coerência vibracional no estado fundamental remanescente.
Isso significa que as moléculas que são ‘deixadas para trás’ após a passagem do pulso do laser de femtosegundo dominam os movimentos que são medidos posteriormente, mas apenas dentro do chamado tempo de coerência vibracional.
O professor van Thor disse: “Concluímos que, para nosso experimento, também se o controle coerente não fosse incluído, a medição convencional resolvida no tempo era de fato dominada por movimentos do estado fundamental escuro ‘reagente’, que não estão relacionados às reações biológicas que são desencadeados pela luz. Em vez disso, os movimentos correspondem ao que é tradicionalmente medido pela espectroscopia vibracional e têm um significado muito diferente, mas igualmente importante
“Na verdade, isso foi previsto com base no trabalho teórico feito anteriormente, mas agora foi demonstrado experimentalmente. Isso terá um impacto significativo nos campos da biologia estrutural resolvida no tempo, bem como na espectroscopia ultrarrápida, pois desenvolvemos e fornecemos as ferramentas para análise de movimento de escala de tempo de femtosegundo ultrarrápido.”
Colaboração sem precedentes
O paper inclui 49 autores de 15 instituições, abrangendo trabalhos ao longo de sete anos, incluindo experimentos conduzidos remotamente durante a pandemia. É esse senso de colaboração que tornou o resultado possível, de acordo com o professor van Thor.
Ele disse: “Em um campo em rápida evolução, onde os aplicativos de tempo de feixe XFEL são incrivelmente competitivos e há pressão para publicar a partir de cada experimento individual, sou extremamente grato a todos os coautores, membros da equipe e colaboradores por sua perseverança, trabalho duro e investimento na busca do objetivo maior, que exigia o caminho estratégico e muito mais longo que trilhamos.”
O co-autor Dr. Sébastien Boutet, do SLAC National Accelerator Laboratory, que hospeda o LCLS, disse: “Esses resultados representam o que é verdadeiramente único sobre as capacidades dos lasers de raios-x. Isso demonstra o tipo de conhecimento sobre biologia em movimento que pode só pode ser alcançado com rajadas muito curtas de raios-x e combinado com tecnologia de laser de ponta. Vemos um futuro emocionante de descoberta nesta área.”
O professor co-autor Gerrit Groenhof, da Universidade de Jyväskylä, na Finlândia, disse: “Usar o controle coerente para extrair a dinâmica molecular relevante no estado excitado eletrônico de outros movimentos induzidos pelo laser de excitação é essencial para entender como as proteínas fotorreceptoras evoluíram para mediar o processo de fotoativação. Ver um filme molecular de fotobiologia em ação não é apenas fascinante, mas também pode ser a chave para desvendar os princípios biológicos para projetar novos materiais responsivos à luz.”
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