Uma proteína sensível à luz de um amante do sal, micróbio formador de enxofre provou ser a chave para o desenvolvimento de métodos essenciais para a descoberta avançada de drogas, compreensão da visão humana e outras aplicações biomédicas. Em uma revisão publicada esta semana em Dinâmica Estrutural , o físico Marius Schmidt, da University of Wisconsin-Milwaukee, apresenta uma história de décadas de pesquisa desse micróbio e as muitas novas tecnologias que possibilitaram essas aplicações.

Em 1985, pesquisadores descobriram que a bactéria roxa do enxofre Halorhodospira halophila produziu uma proteína sensível à luz azul conhecida como proteína amarela fotoativa (PYP). Mudanças estruturais nas curvas e dobras da proteína PYP agem como sinais que ajudam as bactérias a responder aos estímulos. Essas mudanças estruturais, conservado em muitas proteínas semelhantes, também são necessários para a função de várias outras proteínas, como o pigmento rodopsina responsável pela visão na penumbra do olho humano.

Quando acionado por um flash de luz azul, O PYP passa por uma série de mudanças estruturais que ocorrem em milissegundos, formando muitas estruturas intermediárias ao longo do caminho. Ao longo de quase três décadas, pesquisadores usaram técnicas como espectroscopia e medições baseadas em síncrotron para identificar cada intermediário formado dentro desta pequena escala de tempo.

Ser capaz de detectar esses intermediários de reação é uma etapa importante no desenvolvimento de drogas, porque os mesmos métodos podem ser aplicados para estudar reações que são de importância biomédica, Schmidt explicou.

"Por exemplo, você pode ver como uma enzima relacionada ao câncer que catalisa uma reação específica funciona, ", disse ele." Cada nova estrutura intermediária que identificamos pode ser um alvo potencial de droga para manipular essa reação. "

Ao contrário dessas outras proteínas, Contudo, PYP é pequeno e fácil de produzir em grandes quantidades, tornando-o ideal para estudos experimentais da estrutura da proteína. Em 1995, pesquisadores determinaram a estrutura da proteína PYP usando cristalografia com resolução de 1,4 angstrom - que é aproximadamente o tamanho de átomos individuais. Inicialmente, a maioria das investigações empregou abordagens baseadas em espectroscopia para entender as rápidas mudanças estruturais catalisadas por luz no PYP.

As primeiras investigações baseadas em estrutura contavam com as linhas de luz baseadas em síncrotron e síncrotron, que usam um único pulso de raio-X, como fontes de luz para estudar cristais de proteínas. Esses experimentos produziram padrões de difração para revelar intermediários de reação formados apenas 100 picossegundos, menos de um bilionésimo de segundo, após a reação até o final do fotociclo. Mas observar pontos no tempo anteriores foi um desafio técnico.

A primeira série temporal de dados revelou intermediários na fase de 100 nanossegundos a 100 milissegundos da reação PYP, mas também representou um desafio analítico. Porque intermediários se formam e decaem tão rapidamente, uma amostra em qualquer ponto contém uma mistura de estruturas intermediárias. Como os cientistas poderiam distingui-los?

"Até o início dos anos 2000, como desembaraçar essa mistura era um problema não resolvido, "Schmidt disse." Mas PYP forneceu os primeiros conjuntos de dados a partir dos quais se pode tentar fazer isso. "

A solução resultou de um método de análise de componente conhecido como decomposição de valor singular (SVD), que foi aplicado à cristalografia resolvida no tempo por Schmidt e seus colegas.

"[SVD] pode ser convenientemente usado para extrair a estrutura de intermediários puros de uma mistura, "Schmidt disse." Ele realmente provou ser um método central na análise desses dados e aquele que tem mais aplicações até agora. "

Até 2013, os pesquisadores elucidaram o fotociclo PYP com uma resolução de 100 picossegundos; a escala de tempo mais rápida provou ser elusiva. O advento do laser de elétrons livres de raios-X (XFEL), um novo tipo de fonte de luz, ajudou a resolver esse problema. Usando a análise XFEL e SVD, pesquisadores já identificaram processos anteriores também, revelando o fundamental, etapas cruciais na isomerização cis- a trans- de PYP nas escalas de tempo de femtossegundo e picossegundo.

Reações semelhantes, que são essenciais para a visão humana, também ocorrem quando a luz atinge o pigmento da retina rodopsina. "Teria sido muito empolgante ver essa isomerização acontecer em tempo real usando o XFEL, "Schmidt disse." Se pudermos ver no PYP, talvez possamos visualizá-lo também na rodopsina. O PYP provou ser um modelo para outras reações que apresentam isomerização cis-trans ”.