來自能源部的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的一組科學(xué)家已經(jīng)了解到電場如何影響光能驅(qū)動生物成像中常用蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動和轉(zhuǎn)化的方式。對這種現(xiàn)象的更好理解，這對于生物系統(tǒng)和材料中發(fā)生的許多過程至關(guān)重要，可以使研究人員能夠微調(diào)系統(tǒng)的特性以利用這些效應(yīng)，例如使用光控制大腦中的神經(jīng)元。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在一月份的《科學(xué)》雜志上。

扭曲和喊叫

人類的視覺，光合作用和其他自然過程利用包含稱為發(fā)色團(tuán)的分子的蛋白質(zhì)來收集光，其中許多分子在受到光的照射時(shí)就會發(fā)生扭曲。這種扭曲運(yùn)動的特征是光異構(gòu)化，即分子的一部分圍繞特定的化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的生物物理化學(xué)家，斯坦福大學(xué)教授史蒂芬·博克(Steven Boxer)說：“ 蛋白質(zhì)環(huán)境的某些方面正在引導(dǎo)這一非常具體而重要的過程。” “一種可能性是原子在分子空間中的分布會阻止或允許繞每個(gè)化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)，這被稱為空間效應(yīng)。另一種選擇與這樣的想法有關(guān)，即當(dāng)具有雙鍵的分子被激發(fā)時(shí)，電荷，所以周圍的電場可能會使一個(gè)鍵的旋轉(zhuǎn)優(yōu)先于另一個(gè)鍵的旋轉(zhuǎn)。這稱為靜電效應(yīng)。”

不同的曲調(diào)

為了了解更多有關(guān)此過程的信息，研究人員研究了綠色熒光蛋白，該蛋白是生物成像中常用的一種蛋白，發(fā)色團(tuán)可以以多種方式對光產(chǎn)生響應(yīng)，從而對該蛋白內(nèi)的局部環(huán)境敏感，從而產(chǎn)生各種熒光。顏色和強(qiáng)度。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)研究生Matt Romei和Chi-Yun Lin通過引入化學(xué)基團(tuán)來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)中發(fā)色團(tuán)的電子性質(zhì)，該化學(xué)基團(tuán)系統(tǒng)地從發(fā)色團(tuán)中增加或減少了電子，從而產(chǎn)生了電場效應(yīng)。然后他們測量了這如何影響發(fā)色團(tuán)的扭曲運(yùn)動。

在SLAC 斯坦福同步輻射光源(SSRL)的科學(xué)家Irimpan Mathews的幫助下，研究人員在SSRL光束線7-1、12-2和14-1上使用了一種稱為大分子晶體學(xué)的X射線技術(shù)來繪制這些調(diào)諧的蛋白質(zhì)表明這些變化對發(fā)色團(tuán)和周圍蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)影響很小。然后，使用多種技術(shù)，他們能夠測量生色團(tuán)電子分布的變化如何在受到光照射時(shí)影響旋轉(zhuǎn)發(fā)生的位置。

羅米說：“到目前為止，有關(guān)這種特定蛋白質(zhì)的光異構(gòu)化的大多數(shù)研究要么是理論上的，要么集中在空間效應(yīng)上。” “這項(xiàng)研究是第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)研究該現(xiàn)象并顯示出靜電效應(yīng)的重要性的研究。一旦我們繪制了數(shù)據(jù)，我們看到了這些非常好的趨勢，表明調(diào)節(jié)發(fā)色團(tuán)的電子性質(zhì)對其鍵異構(gòu)化有巨大影響。屬性。”

珩磨工具

這些結(jié)果還提出了通過操縱發(fā)色團(tuán)周圍的環(huán)境來設(shè)計(jì)光敏蛋白的方法。林補(bǔ)充說，相同的實(shí)驗(yàn)方法可用于研究和控制許多其他系統(tǒng)中的靜電效應(yīng)。

林說：“我們正在試圖找出控制這一過程的原理。” “我們希望利用我們學(xué)到的知識，在光遺傳學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用這些概念來開發(fā)更好的工具，在那里您可以選擇性地操縱神經(jīng)以導(dǎo)致大腦的某些功能。”

Boxer補(bǔ)充說，蛋白質(zhì)內(nèi)部有組織的電場對于許多生物學(xué)功能很重要的想法是一個(gè)新興的概念，可能會引起廣泛的關(guān)注。

他說：“我們實(shí)驗(yàn)室的許多工作都集中在開發(fā)方法來測量這些領(lǐng)域并將它們與酶催化等功能聯(lián)系起來，現(xiàn)在我們看到光異構(gòu)化適合這種框架。”