A água-viva cristalina nada na costa do noroeste do Pacífico e pode iluminar as águas quando perturbada. Esse brilho vem de proteínas que absorvem energia e a liberam na forma de flashes brilhantes.

Para rastrear muitas das atividades da vida, os biólogos aproveitaram essa mesma água-viva.

Os cientistas coletaram uma das proteínas encontradas nas criaturas marinhas, proteína fluorescente verde (GFP), e projetou um interruptor de luz molecular que brilharia ou permaneceria escuro dependendo das condições experimentais específicas. Os rótulos brilhantes são anexados a moléculas em células vivas para que os pesquisadores possam destacá-los durante os experimentos de imagem. Eles usam esses marcadores fluorescentes para entender como uma célula responde às mudanças em seu ambiente, identificar quais moléculas interagem dentro de uma célula e rastrear os efeitos das mutações genéticas.

Os pesquisadores estudaram GFP e outras proteínas fluorescentes por décadas para entender melhor sua ação brilhante e melhorar sua função em estudos científicos, mas eles nunca foram capazes de observar as mudanças ultrarrápidas que ocorrem entre os estados "desligado" e "ligado" até agora.

Em um experimento recente conduzido no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, uma equipe de pesquisa usou o brilhante, pulsos de raios-X ultrarrápidos do laser de elétrons livres de raios-X do SLAC para criar um filme de alta velocidade de uma proteína fluorescente em ação. Com essa informação, os cientistas começaram a projetar um marcador que muda mais facilmente, uma qualidade que pode melhorar a resolução durante a geração de imagens biológicas.

"Acreditamos que esta abordagem abrirá um mundo de possibilidades para adaptar proteínas fluorescentes, "diz Martin Weik, cientista do Instituto de Biologia Estrutural de Grenoble, França e um dos autores da publicação. “Não temos apenas a estrutura da proteína fluorescente, mas agora podemos ver o que está acontecendo entre um estado estático e outro. "

Química da Natureza publicou o estudo em 11 de setembro.

Filmando um interruptor de luz molecular

Para observar esses estados intermediários, os cientistas iniciaram uma reação fotoquímica na proteína fluorescente com um laser óptico no instrumento Coherent X-ray Imaging na Linac Coherent Light Source, seguido por instantâneos de raios-X em atrasos de tempo distintos. O laser óptico fornece energia na forma de fótons, imitando o que acontece na natureza.

"Os átomos se movem no local fotoativo da molécula como resultado da absorção de um fóton, "diz Sebastien Boutet, Cientista do SLAC e coautor do artigo. "Esta mudança estrutural transforma a proteína de um estado escuro para um estado emissor de luz (fluorescente)."

Existe uma vasta literatura que calcula o que pode acontecer entre os dois estados, mas ninguém estudando a proteína foi capaz de ver as mudanças estruturais no switch quando o fóton é absorvido. A mudança molecular foi muito rápida para as técnicas tradicionais de imagem de raios-X.

Neste estudo, os pulsos de raios-X de femtossegundo gerados por LCLS - chegando em apenas milionésimos de bilionésimo de segundo - permitiram que a equipe criasse imagens de ação interrompida do processo em um intervalo extremamente próximo depois que as proteínas foram ativadas pelo laser óptico.

Uma porta entreaberta

Os instantâneos de alta velocidade foram usados ​​para gerar um filme a partir do estado escuro, e deu aos pesquisadores uma visão que eles usaram para projetar proteínas emissoras de luz comutáveis ​​mais eficientes. Eles encontraram uma pista no tempo que as moléculas passaram entre os estados fluorescente e não fluorescente.

"Depois de um picossegundo, e por um tempo muito curto, esta chave molecular está presa entre ligado e desligado, "diz Ilme Schlichting, cientista do Instituto Max-Planck em Heidelberg, Alemanha e um dos autores da publicação. "As pessoas previram isso, mas visualizar realmente sua estrutura é extremamente emocionante. "

"É como se houvesse uma porta que não está fechada nem totalmente aberta; está entreaberta, "ela diz." E agora estamos aprendendo o que pode passar pela porta, o que pode estar bloqueando e como funciona em tempo real. "

Neste estudo, os cientistas descobriram que um aminoácido bloqueava a porta e evitava que o interruptor mudasse o mais facilmente possível.

Os pesquisadores reduziram o aminoácido em uma versão mutada da proteína fluorescente. Esta versão projetada mudou mais facilmente e deu melhor contraste. Essas características permitirão aos cientistas observar a atividade celular com maior precisão.

"O contraste é essencial para a imagem. É como uma tela de TV, onde ver a melhor foto, você quer que o escuro seja extremamente escuro e a cor super brilhante e colorida, "diz Jacques-Philippe Colletier, um cientista do Instituto de Biologia Estrutural que contribuiu para a pesquisa.

Este novo filme molecular apresentando proteínas inspiradas em águas-vivas ilumina o caminho para capturar mais detalhes microscópicos da vida. A equipe continuará a ajustar a proteína para outras características desejadas que a tornam ideal para "microscopia de super-resolução, "um tipo de microscopia de luz em que os cientistas são capazes de ver detalhes iluminados de células não distinguíveis com métodos convencionais de microscopia de luz.