O cientista associado do SLAC, Thomas Joseph Lane, no instrumento Coherent X-Ray Imaging (CXI) na Linac Coherent Light Source (LCLS). Crédito:Miyuki Dougherty / SLAC National Accelerator Laboratory
Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Acelerador SLAC do Departamento de Energia está usando a Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) para estudar uma enzima encontrada em plantas, bactérias e alguns animais que reparam os danos ao DNA causados pelos raios ultravioleta (UV) do sol.
Ao estudar esta enzima, chamada fotoliase de DNA, com os pulsos ultrabright e ultrarrápido do laser de raios-X LCLS, os pesquisadores finalmente têm a oportunidade de observar a enzima em ação, uma vez que catalisa uma reação química em tempo real e em escala atômica para resolver debates de longa data sobre como essas enzimas funcionam. Em última análise, esse conhecimento pode ser usado para projetar versões sintéticas aprimoradas de enzimas que conduzem reações cruciais em sistemas biológicos, ou para produzir novas enzimas que não existem na natureza.
"As reações bioquímicas realizadas por enzimas estão no cerne da adaptabilidade e eficiência dos seres vivos, "diz Thomas Joseph Lane, um cientista associado da equipe do LCLS. "Mas os detalhes de como as enzimas funcionam estão escondidos em processos químicos que ocorrem em escalas de tempo extremamente curtas, até milionésimos de bilionésimo de segundo, portanto, precisávamos que o LCLS revelasse seus segredos. "
Uma máquina de reparo poderosa
Em apenas alguns segundos, a luz ultravioleta do sol pode danificar o DNA, criando centenas de ligações indesejadas dentro da dupla hélice do DNA. Essas modificações tornam o material genético volumoso e ilegível por ferramentas de replicação de DNA, levando a mutações permanentes que podem causar câncer e outras doenças se não forem reparadas.
Mas a mesma luz solar que carrega os raios ultravioleta prejudiciais também contém luz azul que pode induzir a fotoliase a reparar rapidamente qualquer dano ao DNA.
A luz ultravioleta cria ligações prejudiciais entre os átomos da timina, que é o bloco de construção do DNA. Uma enzima chamada fotoliase, que é acionado por um comprimento de onda de luz diferente, corta-os e repara os danos. Crédito:Dave Goodsell / PDB-101
A fotoliase é considerada uma das razões pelas quais as plantas - que têm horas de exposição ao sol a cada dia - são menos suscetíveis aos danos UV do que os humanos, que carecem de fotoliase. Humanos e outros mamíferos devem recorrer a mecanismos alternativos de reparo de DNA (ou evitar totalmente a exposição ao sol).
Usando uma câmera de raio-X ultrarrápida
Com LCLS, os pesquisadores agora têm acesso a alguns dos pulsos de laser de raios-X mais rápidos e brilhantes do mundo para estudar como os seres vivos se defendem dos danos ultravioleta.
No início deste ano, por exemplo, uma equipe de cientistas liderada por Thomas Wolf, um cientista associado da equipe do SLAC, usou o LCLS para ver a primeira etapa de um processo de proteção que evita danos por UV na timina do bloco de construção do DNA.
"Antes do LCLS, outras 'câmeras' de raio-X eram muito lentas, "Lane explica." Tentar obter uma imagem precisa de enzimas e outras proteínas com essas fontes de raios-X seria como tentar tirar uma foto de Michael Phelps nadando com uma câmera velha. Você só conseguiria algumas imagens borradas ao longo de todo o evento borboleta de 100 jardas, o que dificilmente seria uma foto empolgante ou informativa. "
Mas com LCLS, ele diz, "Imagine uma série de fotos de alta resolução em sequência - você seria capaz de capturar cada gota d'água e cada giro do pulso de Phelps enquanto ele sente borboletas. Isso é o que o LCLS nos permite fazer ao visualizar a atividade enzimática."
Acima:Uma imagem de microscópio óptico de enzimas fotoliase cristalizadas antes de serem sondadas pelo laser de raios-X LCLS. Embaixo:Um padrão de difração de raios-X dos cristais de fotoliase. Esses padrões, feito por raios-X interagindo com átomos no cristal, são usados para determinar a estrutura da molécula. Crédito:Thomas Joseph Lane / SLAC National Accelerator Laboratory
Construindo Melhores Enzimas
Em contraste com o experimento de Wolf sobre como o DNA se protege de danos, A equipe de Lane está estudando como a fotoliase repara os danos dos raios ultravioleta quando os mecanismos de proteção falham. A fotoliase pode ser controlada com grande precisão expondo-a à luz, tornando-se uma enzima ideal para estudar usando luz gerada por laser.
Para ver a química da fotoliase em detalhes, os pesquisadores ativaram a enzima com um pulso de luz cuidadosamente controlado de um laser. Posteriormente, eles expuseram a enzima ao pulso de raios-X gerado por LCLS, criando um padrão de dispersão de raios-X característico em um detector especializado. A análise de dados dispersos de raios-X revelou mudanças químicas e estruturais na enzima em nível atômico e ocorrendo em uma escala de tempo de um milionésimo de um bilionésimo de segundo.
Um dos objetivos finais do estudo do processo de reparo enzimático do DNA é desenvolver enzimas sintéticas que imitem, mas sejam ainda melhores do que as encontradas na natureza.
"Ainda existem algumas lacunas importantes na nossa compreensão de como as enzimas funcionam, destacado pelo fato de que as enzimas feitas pelo homem ainda precisam se igualar ao desempenho da natureza, "diz Lane." Esperamos que nossos experimentos aqui no LCLS nos ajudem a preencher essas lacunas, aproximando-nos de compreender e aproveitar a química que as coisas vivas fazem todos os dias. "
