As aplicações da física ultrarrápida à biologia estrutural revelam a complexa dança da “coerência” molecular com uma clareza sem precedentes. Compreender como as moléculas respondem a estímulos como a luz, por exemplo durante a fotossíntese, é fundamental para a biologia. Os cientistas têm trabalhado para descobrir como estas mudanças operam em múltiplas áreas e, ao reunir duas destas áreas, os investigadores estão a abrir caminho para uma nova era de compreensão das reações moleculares de proteínas cruciais para a vida.
Uma grande equipe de pesquisa internacional liderada pelo professor Jasper van Thor, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial College London, relatou recentemente suas descobertas na revista Nature Chemistry.
A cristalografia é uma técnica poderosa em biologia estrutural que tira "instantâneos" de como as moléculas estão organizadas. Após vários experimentos em grande escala e anos de pesquisa teórica, a equipe por trás do novo estudo combinou esta técnica com outra técnica para mapear as vibrações das configurações eletrônicas e nucleares de uma molécula, conhecida como espectroscopia.
Demonstrando a nova técnica em poderosas instalações de laser de raios X em todo o mundo, a equipe mostrou que quando as moléculas nas proteínas que estudaram eram excitadas opticamente, seus movimentos iniciais eram o resultado de “coerência”. Isto sugere que este é um efeito vibracional, e não um movimento subsequente de partes funcionais da resposta biológica.
Esta importante diferença, mostrada experimentalmente pela primeira vez, destaca como a física espectral pode lançar nova luz sobre os métodos cristalográficos clássicos da biologia estrutural.
O professor Van Tol disse: "Todo processo que sustenta a vida é realizado por proteínas, mas para entender como essas moléculas complexas fazem seu trabalho é necessário entender o arranjo de seus átomos e como essa estrutura muda durante as reações. Usando métodos de espectroscopia, podemos agora ver diretamente na forma de imagens, resolvendo suas estruturas cristalinas". Esperamos que, ao compartilhar os detalhes metodológicos desta nova técnica, encorajemos os pesquisadores no campo da biologia estrutural resolvida no tempo, bem como da espectroscopia de laser ultrarrápida, a explorar a estrutura cristalina de processos coerentes.
Combinação de tecnologia
A combinação dessas tecnologias requer o uso de instalações de laser de elétrons livres de raios X (XFEL), incluindo a Linac Coherent Light Source (LCLS) nos Estados Unidos, o SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser (SACLA) no Japão, PAL-XFEL na Coreia do Sul e, mais recentemente, o XFEL europeu em Hamburgo.
Os membros da equipe trabalham na XFEL desde 2009, aproveitando e compreendendo o movimento de proteínas reativas na escala de tempo do femtossegundo (um bilionésimo de segundo), conhecida como química do femtossegundo. Após a excitação com um pulso de laser, os raios X são usados para tirar um "instantâneo" da estrutura.
Em 2016, a tecnologia obteve sucesso inicial, descrevendo detalhadamente as alterações que ocorrem nas proteínas biológicas induzidas pela luz. No entanto, os investigadores ainda precisam de resolver uma questão chave: onde é que o minúsculo “movimento” molecular na escala de tempo do femtosegundo se origina directamente após o primeiro impulso de luz laser? Pesquisas anteriores assumiram que todos os movimentos correspondem a respostas biológicas, ou seja, aos seus movimentos funcionais. Mas usando o novo método, a equipe descobriu em experimentos que não era esse o caso.
controle coerente
Para chegar a esta conclusão, eles criaram o “controle de coerência” – moldando a luz do laser para controlar o movimento das proteínas de uma forma previsível. Após o sucesso inicial no LCLS de Stanford em 2018, para verificar e validar a abordagem, conduziram um total de seis experiências em instalações XFEL em todo o mundo, cada vez formando grandes equipas e formando colaborações internacionais. Eles então combinaram esses dados experimentais com métodos teóricos modificados da química das gotículas para que pudessem ser aplicados a dados cristalográficos de raios X em vez de dados espectroscópicos.
A conclusão é que os movimentos ultrarrápidos medidos precisamente nas escalas de tempo de picômetro e femtosegundo não pertencem a reações biológicas, mas à coerência vibracional do estado fundamental restante. Isto significa que as moléculas “sobras” após o pulso do laser de femtosegundo dominam o movimento medido subsequentemente, mas apenas dentro do chamado tempo de coerência vibracional.
O professor Van Thor disse:"Concluímos que em nossos experimentos, mesmo sem incluir o controle de coerência, as medições convencionais resolvidas no tempo são na verdade dominadas por movimentos do estado fundamental escuro do 'reagente' que não estão relacionados a reações biológicas induzidas pela luz. Em vez disso, esses movimentos são opostos àqueles medidos pela espectroscopia vibracional convencional "