Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI usaram o Swiss Light Source SLS para registrar uma máquina de energia molecular em ação e, assim, revelar como funciona a produção de energia nas membranas celulares. Para isso, eles desenvolveram um novo método investigativo que poderia tornar a análise de processos celulares significativamente mais eficaz do que antes. Eles já publicaram seus resultados na revista Ciência .

Em todas as coisas vivas, mudanças estruturais nas proteínas são responsáveis ​​por muitas funções controladas bioquimicamente, por exemplo, produção de energia nas membranas celulares. A proteína bacteriorodopsina ocorre em microrganismos que vivem na superfície de lagos, córregos, e outros corpos d'água. Ativado pela luz do sol, esta molécula bombeia partículas carregadas positivamente, prótons, de dentro para fora através da membrana celular. Enquanto faz isso, está constantemente mudando sua estrutura.

Os pesquisadores do PSI já conseguiram elucidar uma parte desse processo em lasers de raios-X de elétrons livres (FELs), como o SwissFEL. Agora eles também conseguiram registrar a parte ainda desconhecida do processo em uma espécie de filme molecular. Para isso, eles pegaram um método que antes era utilizável apenas em FELs e o desenvolveram para uso no Swiss Light Source SLS. O estudo destaca a sinergia entre as opções analíticas nessas duas instalações de pesquisa de grande escala no PSI. "Com o novo método no SLS, agora podemos acompanhar a última parte do movimento da bacteriorodopsina, onde as etapas estão na faixa de milissegundos, "explica Tobias Weinert, primeiro autor do artigo. "Com medições em FELs nos EUA e no Japão, já havíamos medido os dois primeiros subprocessos antes de SwissFEL ser comissionado, "Weinert diz." Isso acontece muito rápido, dentro de femtossegundos a microssegundos. "Um femtossegundo é um trilionésimo de segundo.

Para ser capaz de observar tais processos, os pesquisadores usam a chamada cristalografia "bomba-sonda". Com este método, eles podem tirar instantâneos dos movimentos das proteínas que podem então ser montados em filmes. Para os experimentos, as proteínas são transformadas em cristais. Um feixe de laser, imitando a luz do sol, desencadeia a sequência de movimentos na proteína. Os raios X que atingem a amostra depois produzem imagens de difração, que são registrados por um detector de alta resolução. A partir destes, os computadores geram uma imagem da estrutura da proteína em cada ponto no tempo.

O filme criado a partir das medições no SLS mostra como a estrutura da molécula da bacteriorodopsina muda nos próximos 200 milissegundos após ser ativada pela luz. Com isso, um assim chamado "fotociclo" completo da molécula foi agora elucidado.

A bacteriorodopsina funciona como uma máquina biológica que bombeia prótons de dentro da célula através da membrana para o exterior. Isso cria um gradiente de concentração na membrana celular. Em seu lado externo, há mais prótons do que em seu lado interno. A célula usa esse gradiente para ganhar energia para seu metabolismo, permitindo que os prótons em outros lugares equilibrem as diferentes concentrações externa e interna. Ao fazer isso, a célula produz ATP, uma fonte de energia universal em coisas vivas. Subseqüentemente, a bacteriorodopsina restaura o gradiente de concentração.

"No novo estudo, agora fomos capazes de ver as maiores mudanças estruturais em tempo real em uma molécula já "- por" grande "o cientista significa nove angstroms, isso é, um milionésimo da espessura de um cabelo humano. Por meio dessas mudanças estruturais, uma lacuna se abre na proteína em que uma cadeia de moléculas de água se forma, e este é responsável pelo transporte de prótons através da membrana celular. "Antes de nós, ninguém nunca tinha observado esta corrente de água diretamente, "o bioquímico observa alegremente.

Estas observações foram possíveis apenas pela modificação do método anteriormente empregado na SwissFEL para uso na SLS, e graças ao novo detector "Eiger" de alta resolução e rápido da SLS. Weinert tem certeza de que o novo método de investigação por meio de síncrotrons como o SLS inspirará pesquisas em todo o mundo. "Os pesquisadores podem usar o novo método e se tornar muito mais eficientes, já que em todo o mundo existem muito mais síncrotrons do que lasers de elétrons livres. Além disso, você precisa de menos cristais de proteína do que o necessário para experimentos em FELs, “Weinert acrescenta.

Contudo, para os processos moleculares muito rápidos, e para obter imagens especialmente nítidas e resultados precisos, os pesquisadores contam com SwissFEL. "Os processos no início do fotociclo acontecem em questão de femtossegundos. Só é possível observar essas reações químicas rápidas em FELs." Além disso, estruturas podem ser gravadas com resolução mais alta em FELs. Porque tantos fótons atingiram a amostra de uma vez no acelerador linear, o detector pode capturar uma imagem extremamente nítida.

Weinert enfatiza a sinergia entre as duas instalações de pesquisa em grande escala:"Na SwissFEL, apenas uma pequena quantidade de tempo de feixe está disponível. Com as medições no SLS, podemos garantir com antecedência que nosso experimento na SwissFEL será bem-sucedido. Isso aumenta a eficiência. "

Os pesquisadores já publicaram os resultados do estudo na revista Ciência .