Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford obteve uma visão de como os campos elétricos afetam a maneira como a energia da luz impulsiona o movimento molecular e a transformação em uma proteína comumente usada em imagens biológicas. Uma melhor compreensão deste fenômeno, que é crucial para muitos processos que ocorrem em sistemas e materiais biológicos, poderia permitir aos pesquisadores ajustar as propriedades de um sistema para aproveitar esses efeitos, por exemplo, usar luz para controlar neurônios no cérebro. Suas descobertas foram publicadas em Ciência em janeiro.

Agitamos e gritamos

Visão humana, fotossíntese e outros processos naturais coletam luz com proteínas que contêm moléculas conhecidas como cromóforos, muitos dos quais se retorcem quando a luz os atinge. A marca registrada deste movimento de torção, chamado de fotoisomerização, é que parte da molécula gira em torno de uma ligação química específica.

"Algo sobre o ambiente de proteína está conduzindo este processo muito específico e importante, "diz Steven Boxer, um químico biofísico e professor de Stanford que supervisionou a pesquisa. "Uma possibilidade é que a distribuição dos átomos no espaço molecular bloqueie ou permita a rotação em torno de cada ligação química, conhecido como efeito estérico. Uma alternativa tem a ver com a ideia de que quando as moléculas com ligações duplas são excitadas, há uma separação de carga, e assim os campos elétricos circundantes podem favorecer a rotação de uma ligação sobre a outra. Isso é chamado de efeito eletrostático. "

Uma melodia diferente

Para saber mais sobre este processo, os pesquisadores analisaram a proteína fluorescente verde, uma proteína frequentemente usada em imagens biológicas cujo cromóforo pode responder à luz de várias maneiras que são sensíveis ao seu ambiente local dentro da proteína, produzindo luz fluorescente de várias cores e intensidades.

Estudantes de graduação de Stanford Matt Romei e Chi-Yun Lin, quem liderou o estudo, ajustou as propriedades eletrônicas do cromóforo dentro da proteína, introduzindo grupos químicos que sistematicamente adicionaram ou subtraíram elétrons do cromóforo para criar um efeito de campo elétrico. Em seguida, eles mediram como isso afetou o movimento de torção do cromóforo.

Com a ajuda do co-autor Irimpan Mathews, um cientista da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC, os pesquisadores usaram uma técnica de raios-X chamada cristalografia macromolecular em linhas de luz SSRL 7-1, 12-2 e 14-1 para mapear as estruturas dessas proteínas sintonizadas para mostrar que essas mudanças tiveram pouco efeito sobre a estrutura atômica do cromóforo e da proteína circundante. Então, usando uma combinação de técnicas, eles foram capazes de medir como as mudanças na distribuição de elétrons do cromóforo afetaram onde a rotação ocorreu quando ele foi atingido pela luz.

"Até agora, a maioria das pesquisas sobre fotoisomerização nesta proteína em particular tem sido teórica ou focada no efeito estérico, "Diz Romei." Essa pesquisa é uma das primeiras a investigar experimentalmente o fenômeno e mostrar a importância do efeito eletrostático. Depois de traçar os dados, vimos essas tendências realmente interessantes que sugerem que o ajuste das propriedades eletrônicas do cromóforo tem um grande impacto nas propriedades de isomerização de ligações. "

Ferramentas de polimento

Esses resultados também sugerem maneiras de projetar proteínas sensíveis à luz, manipulando o ambiente ao redor do cromóforo. Lin acrescenta que essa mesma abordagem experimental pode ser usada para estudar e controlar o efeito eletrostático em muitos outros sistemas.

"Estamos tentando descobrir o princípio que controla esse processo, "Lin diz." Usando o que aprendemos, esperamos aplicar esses conceitos para desenvolver melhores ferramentas em campos como optogenética, onde você pode manipular seletivamente os nervos para levar a certas funções no cérebro. "

Boxer acrescenta que a ideia de que os campos elétricos organizados dentro das proteínas são importantes para muitas funções biológicas é um conceito emergente que pode interessar a um público amplo.

"Grande parte do trabalho em nosso laboratório se concentra no desenvolvimento de métodos para medir esses campos e conectá-los com funções como a catálise enzimática, " ele diz, "e agora vemos que a fotoisomerização se encaixa nessa estrutura."