Para ver cómo cambian las proteínas en una milmillonésima de segundo, use IA

Para ver cómo cambian las proteínas en una milmillonésima de segundo, use IA

Para ver cómo cambian las proteínas en una milmillonésima de segundo, use IA

Westend61 | imágenes falsas

¿Alguna vez ha tenido una toma perfecta arruinada por alguien que se movió demasiado rápido y causó desenfoque? Los científicos tienen el mismo problema cuando registran imágenes de proteínas que cambian de estructura en respuesta a la luz. Este proceso es común en la naturaleza, por lo que durante años los investigadores han tratado de capturar sus detalles. Pero durante mucho tiempo se han visto frustrados por la velocidad con la que esto está sucediendo.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee y el Centro para la ciencia del láser de electrones libres de Deutsches Elektronen-Synchrotron en Alemania han combinado el aprendizaje automático y los cálculos mecánicos cuánticos para obtener el registro más preciso hasta la fecha de los cambios estructurales en un proteína amarilla fotoactiva (PYP) que fue excitada por la luz. Su estudio, publicado en noviembre en Nature, mostró que pudieron filmar procesos que ocurren en milbillonésimas de segundo.

Cuando PYP absorbe luz, absorbe su energía y luego se reorganiza. Debido a que la función de la proteína dentro de la célula está determinada por su estructura, cada vez que PYP se pliega o se dobla después de ser iluminada, desencadena grandes cambios. Un ejemplo importante de proteínas que interactúan con la luz se encuentra en las plantas durante la fotosíntesis, dice Abbas Ourmazd, físico de UWM y coautor del estudio. Específicamente, PYP es similar a las proteínas en nuestros ojos que nos ayudan a ver por la noche, cuando una proteína llamada retina cambia de forma, activando algunas de nuestras células fotorreceptoras, dice Petra Fromme, directora del Centro de Biodiseño para el Descubrimiento Estructural Aplicado en la Universidad Estatal de Arizona. . , que no participó en el estudio. El cambio de forma de PYP también ayuda a algunas bacterias a detectar la luz azul que puede dañar su ADN para que puedan evitarla, señala Fromme.

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Los detalles de este importante cambio inducido por la luz en la forma molecular, llamado isomerización, han eludido a los científicos durante años. «Cuando miras cualquier libro de texto, siempre dice que esta isomerización es instantánea tras la excitación de la luz», dice Fromme. Pero, para los científicos, «un instante» no es imposible de cuantificar: los cambios en la estructura de la proteína ocurren en un período de tiempo notablemente corto conocido como un femtosegundo, o una milmillonésima de segundo. Un segundo es a un femtosegundo lo que 32 millones de años son a un segundo, dice Fromme.

Los científicos están probando experimentalmente estas escalas de tiempo increíblemente cortas con destellos de rayos X igualmente cortos. El nuevo estudio utilizó datos obtenidos de esta manera por un equipo dirigido por el físico de UWM Marius Schmidt en una instalación especial en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. Aquí, los investigadores primero iluminaron el PEP con luz. Luego lo golpearon con una ráfaga ultracorta de rayos X. Los rayos X que rebotan en la proteína, llamados rayos X difractados, reflejan su estructura más reciente de la misma manera que la luz reflejada por los objetos ayuda a hacer fotografías convencionales. La brevedad de los pulsos permitió a los científicos obtener algo así como una instantánea de las posiciones de todos los átomos en la proteína a medida que se movían, al igual que una cámara con un obturador muy rápido puede capturar las diferentes posiciones de las patas de un guepardo mientras corre.

Esta ilustración muestra un experimento en SLAC que reveló cómo una proteína de bacterias fotosintéticas cambia de forma en respuesta a la luz.Agrandar / Esta ilustración muestra un experimento en SLAC que reveló cómo una proteína de bacterias fotosintéticas cambia de forma en respuesta a la luz.

SLAC

Pero incluso los destellos de rayos X más cortos generalmente no han logrado un ‘obturador’ lo suficientemente rápido como para obtener un registro de femtosegundo por femtosegundo del cambio de forma de una proteína. «Un problema importante en el análisis de las señales de difracción es que la fuente de rayos X es ruidosa», dice Shaul Mukamel, químico de la Universidad de California en Irvine, que no participó en el estudio. En otras palabras, el destello de rayos X siempre provoca al menos algo de borrosidad. Imagine la proteína como un contorsionista doblando en un pretzel. Usando rayos X, los científicos pueden obtener una imagen clara de su pose relajada inmediatamente después de que absorba la energía de la luz que estimula la contorsión y de sus extremidades entrelazadas al final. Pero cualquier imagen de sus movimientos intermedios sería borrosa.

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