Anwendungen der Ultraschnellphysik auf die Strukturbiologie offenbaren den komplexen Tanz der molekularen „Kohärenz“ mit beispielloser Klarheit. Zu verstehen, wie Moleküle auf Reize wie Licht reagieren, beispielsweise während der Photosynthese, ist für die Biologie von grundlegender Bedeutung. Wissenschaftler haben daran gearbeitet, herauszufinden, wie diese Veränderungen in mehreren Bereichen wirken. Durch die Zusammenführung zweier dieser Bereiche ebnen Forscher den Weg für eine neue Ära des Verständnisses der molekularen Reaktionen von Proteinen, die für das Leben von entscheidender Bedeutung sind.
Ein großes internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jasper van Thor vom Department of Life Sciences des Imperial College London berichtete kürzlich über seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Chemistry.
Die Kristallographie ist eine leistungsstarke Technik in der Strukturbiologie, die „Momentaufnahmen“ der Anordnung von Molekülen erstellt. Nach mehreren groß angelegten Experimenten und Jahren theoretischer Forschung kombinierte das Team hinter der neuen Studie diese Technik mit einer anderen Technik zur Kartierung der Schwingungen der elektronischen und nuklearen Konfigurationen eines Moleküls, der sogenannten Spektroskopie.
Das Team demonstrierte die neue Technik an leistungsstarken Röntgenlaseranlagen auf der ganzen Welt und zeigte, dass die anfänglichen Bewegungen der Moleküle in den von ihnen untersuchten Proteinen das Ergebnis von „Kohärenz“ waren, wenn sie optisch angeregt wurden. Dies deutet darauf hin, dass es sich hierbei eher um einen Vibrationseffekt als um die anschließende Bewegung funktioneller Teile der biologischen Reaktion handelt.
Dieser wichtige Unterschied, der zum ersten Mal experimentell nachgewiesen wurde, verdeutlicht, wie die Spektralphysik ein neues Licht auf die klassischen kristallographischen Methoden der Strukturbiologie werfen kann.
Professor Van Tol sagte: „Jeder Prozess, der das Leben aufrechterhält, wird von Proteinen ausgeführt, aber um zu verstehen, wie diese komplexen Moleküle ihre Aufgabe erfüllen, ist es notwendig, die Anordnung ihrer Atome zu verstehen und zu verstehen, wie sich diese Struktur während Reaktionen verändert. Mit spektroskopischen Methoden können wir jetzt direkt in Form von Bildern sehen, indem wir ihre Kristallstrukturen auflösen.“ Wir hoffen, dass wir durch die Weitergabe der methodischen Details dieser neuen Technik Forscher auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Strukturbiologie sowie der ultraschnellen Laserspektroskopie dazu ermutigen, die Kristallstruktur kohärenter Prozesse zu erforschen.“
Technologiekombination
Die Kombination dieser Technologien erfordert den Einsatz von Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern (XFEL), darunter die Linac Coherent Light Source (LCLS) in den Vereinigten Staaten, der SPring-8 Angström Compact Free Electron Laser (SACLA) in Japan, PAL-XFEL in Südkorea und zuletzt der European XFEL in Hamburg.
Mitglieder des Teams arbeiten seit 2009 am XFEL und nutzen und verstehen die Bewegung reaktiver Proteine auf der Femtosekunden-Zeitskala (Milliardstelsekunde), bekannt als Femtosekunden-Chemie. Nach Anregung mit einem Laserpuls wird mithilfe von Röntgenstrahlen ein „Schnappschuss“ der Struktur erstellt.
Im Jahr 2016 erzielte die Technologie erste Erfolge und beschrieb detailliert die durch Licht induzierten Veränderungen in biologischen Proteinen. Allerdings müssen die Forscher noch eine zentrale Frage klären: Wo entsteht die winzige molekulare „Bewegung“ auf der Femtosekunden-Zeitskala direkt nach dem ersten Laserlichtpuls? Bisherige Forschungen gingen davon aus, dass alle Bewegungen biologischen Reaktionen, also ihren funktionellen Bewegungen, entsprechen. Mit der neuen Methode stellte das Team jedoch in Experimenten fest, dass dies nicht der Fall war.
kohärente Kontrolle
Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, entwickelten sie eine „Kohärenzkontrolle“ – eine Formung von Laserlicht, um die Bewegung von Proteinen auf vorhersehbare Weise zu steuern. Nach ersten Erfolgen am LCLS in Stanford im Jahr 2018 führten sie zur Überprüfung und Validierung des Ansatzes insgesamt sechs Experimente an XFEL-Einrichtungen auf der ganzen Welt durch, wobei sie jeweils große Teams bildeten und internationale Kooperationen bildeten. Anschließend kombinierten sie diese experimentellen Daten mit theoretischen Methoden, die aus der Tröpfchenchemie abgeleitet wurden, sodass sie auf röntgenkristallografische Daten statt auf spektroskopische Daten angewendet werden konnten.
Die Schlussfolgerung ist, dass ultraschnelle Bewegungen, die präzise auf Pikometer- und Femtosekunden-Zeitskalen gemessen werden, nicht zu biologischen Reaktionen gehören, sondern zur Schwingungskohärenz des verbleibenden Grundzustands. Das bedeutet, dass die nach dem Femtosekunden-Laserpuls „übrig gebliebenen“ Moleküle die anschließend gemessene Bewegung dominieren, allerdings nur innerhalb der sogenannten Schwingungskohärenzzeit.
Professor Van Thor sagte: „Wir kommen zu dem Schluss, dass in unseren Experimenten, auch ohne Kohärenzkontrolle, herkömmliche zeitaufgelöste Messungen tatsächlich von Bewegungen aus dem dunklen Grundzustand des ‚Reaktanten‘ dominiert werden, die nicht mit lichtinduzierten biologischen Reaktionen zusammenhängen. Stattdessen sind diese Bewegungen denen entgegengesetzt, die mit konventioneller Schwingungsspektroskopie gemessen werden.“