Para estudar nanoestruturas em ambientes reais, Os cientistas do Berkeley Lab combinaram abordagens teóricas e experimentais para vislumbrar a interação de uma proteína com sais simples na água. Habilitado por software de simulação de absorção de raios-X desenvolvido na Fundição Molecular do Berkeley Lab, essas descobertas lançam uma nova luz sobre como os sais afetam a estrutura da proteína em nível atômico.
Técnicas cristalográficas tradicionais, como difração de raios-x, fornecer um perfil de materiais encomendados com estruturas estáticas. Contudo, para sistemas dinâmicos ou complexos em que a estrutura atômica está mudando rapidamente, métodos mais sofisticados são necessários. Agora, Os cientistas do Berkeley Lab aplicaram espectroscopia de absorção de raios-X para estudar uma proteína modelo, triglicina - uma cadeia curta de três moléculas do aminoácido mais simples, glicina. Ao simular o espectro de absorção de raios-X desta molécula, a equipe mostrou como sua cadeia se torce e se endireita em resposta aos íons em solução.
“Observar uma molécula em solução é como observar uma marionete - você pode vê-la se dobrando em resposta à formação e quebra de ligações de hidrogênio, ”Disse David Prendergast, um cientista da equipe da Instalação de Teoria de Nanoestruturas na Fundição Molecular. “Um conhecimento concreto de como os íons influenciam esse comportamento vem do uso de simulações de dinâmica molecular, que mostram diferenças persistentes na estrutura em escalas de tempo de nanossegundos. A partir desses dados, podemos gerar espectros de absorção de raios-X que podem então ser comparados com os resultados experimentais. ”
Em um experimento especializado de absorção de raios-X denominado estrutura fina de absorção de raios-X próximo à borda (NEXAFS), os raios-x são usados para sondar a ligação química e o ambiente de elementos específicos em uma molécula ou nanoestrutura, como os átomos de nitrogênio em uma molécula de triglicina. Juntamente com uma tecnologia de microjato líquido desenvolvida no Berkeley Labs, O NEXAFS foi usado anteriormente para examinar como as proteínas se dissolvem e cristalizam na presença de vários íons.
O software de Prendergast agora pode simular dados NEXAFS calculando a média de uma série de instantâneos tirados de uma simulação de dinâmica molecular de uma determinada molécula. Este software é uma ferramenta crítica para interpretar dados NEXAFS de complexos, sistemas dinâmicos, como os tempos de sonda nessas medições são muito lentos - segundos em vez de nanossegundos - para revelar diferenças estruturais na nanoescala.
“Estudos anteriores do nosso grupo mostraram que o desenvolvimento da espectroscopia de absorção de raios-X de microjatos líquidos fornece uma nova sonda sensível ao átomo das interações entre os íons aquosos, mas é o advento desta nova teoria que fornece a primeira interpretação confiável de nível molecular desses dados, ”Disse Richard Saykally, um químico do Berkeley Lab e professor de química na Universidade da Califórnia em Berkeley. “Aqui vemos esta nova combinação de teoria e experimento aplicada a um dos problemas mais importantes da química biofísica.”
Prendergast diz que sua técnica de dinâmica molecular pode ser usada para modelar espectros de raios-X de um sistema biológico com estrutura conhecida para determinar suas interações locais, o que faz com que ele forme uma estrutura particular, e por que assume uma conformação particular - tudo simulando os espectros de uma série de instantâneos individuais e comparando com resultados experimentais. Essas simulações são computacionalmente intensivas e dependem fortemente da infraestrutura de supercomputação em grande escala fornecida pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica de Pesquisa de Energia (NERSC) do Berkeley Lab.
“Embora esses efeitos sejam uma parte fundamental da natureza, eles ainda são mal compreendidos, ”Disse Craig Schwartz, um pesquisador que trabalha com Prendergast e Saykally, cujo trabalho de pós-graduação levou a esta publicação. “A sensibilidade experimental do NEXAFS, juntamente com um avanço na teoria, nos deu uma nova visão sobre como essas moléculas interagem. ”
Os pesquisadores antecipam a demanda de outros grupos que exploram interações de água (ou outro solvente), bem como materiais moles (como polímeros) e materiais inorgânicos (óxidos e superfícies metálicas) que são diretamente relevantes para aplicações relacionadas à energia em catálise, tecnologia de baterias e energia fotovoltaica. Além disso, à medida que as fontes de laser de elétrons livres de raio-x tornam-se disponíveis para os cientistas, um conjunto de dados experimentais mais rico estará disponível para aumentar as descobertas teóricas.
