Ряд важных биологических процессов, таких как фотосинтез и зрение, зависят от света. Но трудно уловить реакции биомолекул на свет, потому что они происходят практически мгновенно.
Теперь исследователи сделали гигантский скачок вперед, сделав снимки этих сверхбыстрых реакций в бактериальном датчике света. Используя самый мощный в мире рентгеновский лазер в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, они смогли увидеть движение атомов со скоростью 100 квадриллионных долей секунды - в 1000 раз быстрее, чем когда-либо прежде.
Далее: «Мы первые, кому удалось сделать в режиме реального времени моментальные снимки сверхбыстрого структурного перехода в белке, в котором молекула, возбуждаемая светом, расслабляется, перестраивая свою структуру так, как это известно как транс изомеризация -в цис, - говорит главный исследователь исследования Мариус Шмидт из Университета Висконсина, Милуоки.
Этот метод может принести большую пользу при изучении управляемых светом сверхбыстрых движений атомов. Например, это может показать:
- Как зрительные пигменты в человеческом глазу реагируют на свет и как чрезмерное его поглощение повреждает их.
- Как фотосинтезирующие организмы превращают свет в химическую энергию - процесс, который может служить моделью для разработки новых энергетических технологий.
- Как атомные структуры реагируют на световые импульсы различной формы и продолжительности - важный первый шаг к управлению химическими реакциями со светом.
«Новые данные впервые показывают, как бактериальный датчик реагирует сразу после того, как он поглощает свет», - говорит Энди Аквила, исследователь SLAC’s Linac Coherent Light Source (LCLS), пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США. «Первоначальный отклик, который является почти мгновенным, абсолютно важен, потому что он создает волновой эффект в белке, подготавливая почву для его биологической функции. Только рентгеновские импульсы LCLS достаточно яркие и достаточно короткие, чтобы зафиксировать биологические процессы на этом сверхбыстром шкала времени». Результаты были опубликованы в журнале Science.
Высокоскоростная рентгеновская камера показывает чрезвычайно быструю биологию
Команда изучила светочувствительную часть белка, называемого «фотоактивным желтым белком», или PYP. Он функционирует как «глаз» у пурпурных бактерий, помогая им чувствовать синий свет и держаться подальше от слишком энергичного и потенциально опасного света.
Исследователи уже изучали вызванные светом структурные изменения в PYP в LCLS, выявляя движения атомов со скоростью 10 миллиардных долей секунды. Улучшив свой эксперимент, они теперь смогли улучшить ограничение скорости в 100 000 раз и зафиксировать реакции в белке, которые происходят в 1 000 раз быстрее, чем когда-либо ранее в рентгеновском эксперименте.
В обоих исследованиях использовался очень похожий подход: в LCLS команда отправила поток крошечных кристаллов PYP в камеру для образцов. Там каждый кристалл был поражен вспышкой оптического лазерного излучения, а затем рентгеновским импульсом, который сделал изображение структурной реакции белка на свет. Изменяя время между двумя импульсами, ученые смогли увидеть, как белок трансформировался с течением времени.
Поскольку рентгеновские импульсы LCLS чрезвычайно короткие, длятся всего несколько квадриллионных долей секунды, они, в принципе, могут исследовать процессы в таком же временном масштабе - но только если оптический лазер также соответствует огромной скорости. Для нового эксперимента команда заменила старый оптический лазер новым, импульсы которого составляли 100 квадриллионных долей секунды - в 100 000 раз короче, чем раньше, и намного ближе к длине импульса рентгеновского излучения.
Исследователи также применили более совершенные инструменты синхронизации для измерения относительного времени прибытия между оптическими и рентгеновскими лазерными импульсами, что расширило возможности точного отслеживания сверхбыстрых событий.
«Эти улучшения позволили нам увидеть то, что никто никогда не видел напрямую», - говорит Шмидт.