Изучая этот фермент, названный ДНК photolyase, с ультраяркими и сверхбыстрыми импульсами LCLS, делают рентген лазера, у исследователей наконец есть возможность наблюдать фермент в действии, поскольку это катализирует химическую реакцию в режиме реального времени и в уровне атомов, чтобы решить давние дебаты о том, как эти ферменты работают. В конечном счете это знание могло использоваться, чтобы спроектировать улучшенные синтетические версии ферментов, которые стимулируют решающие реакции в биологических системах, или произвести новые ферменты, которые не существуют в природе.«Биохимические реакции, выполненные ферментами, в основе адаптируемости и эффективности живых существ», говорит Томас Джозеф Лейн, объединенный научный сотрудник из LCLS. «Но детали того, как работа ферментов скрыта в химических процессах, которые происходят на чрезвычайно коротких временных рамках, вниз к миллионным частям одной миллиардной секунды, таким образом, нам был нужен LCLS, чтобы раскрыть их секреты».Мощная машина ремонта
Всего через несколько секунд ультрафиолетовый свет от солнца может повредить ДНК, создав сотни нежелательных связей в двойной спирали ДНК. Эти модификации делают генетический материал большим и нечитабельным инструментами повторения ДНК, приводя к постоянным мутациям, которые могут вызвать рак и другие болезни, если оставлено неотремонтированные.
Но тот же самый солнечный свет, который несет разрушительные ультрафиолетовые лучи также, содержит синий свет, который может побудить photolyase быстро возмещать любые убытки ДНК.Photolyase, как думают, является одной причиной, почему заводы – у которых есть часы воздействия солнца каждый день – менее восприимчивы к ультрафиолетовому повреждению, чем люди, которые испытывают недостаток в photolyase. Люди и другие млекопитающие должны возвратиться к альтернативным механизмам ремонта ДНК (или постараться не выходить на солнце в целом).Используя сверхбыструю камеру рентгена
С LCLS у исследователей теперь есть доступ к некоторым самым быстрым и самым ярким импульсам лазера рентгена в мире, чтобы учиться, как живые существа защищают себя от ультрафиолетового повреждения.Ранее в этом году, например, команда ученых во главе с Томасом Уолфом, объединенным научным сотрудником из SLAC, использовала LCLS, чтобы видеть первый шаг защитного процесса, который предотвращает ультрафиолетовое повреждение в тимине стандартного блока ДНК.
«Перед LCLS другой рентген ‘камеры’ был слишком медленным», объясняет Лейн. «Попытка к точно ферментам изображения и другим белкам с теми источниками рентгена была бы похожа на попытку сделать снимок действия Майкла Фелпса, плавающего со старой камерой. Вы только получили бы несколько размытых изображений по его всему 100-ярдовому мероприятию бабочки, которое едва сделает для захватывающей или информативной фотографии».
Но с LCLS, он говорит, «Вообразите серия выстрелов с высоким разрешением в последовательности – Вы были бы в состоянии захватить каждую каплю воды и каждый поворот запястья Фелпса как он бабочки. Это – то, что LCLS позволяет нам сделать, визуализируя деятельность фермента».Строительство лучших ферментовВ отличие от эксперимента Волка о том, как ДНК защищает себя от повреждения, учится команда Лейна, как photolyase возмещает ультрафиолетовые убытки, как только защитные механизмы вышли из строя.
Photolyase можно управлять с большой точностью, выставляя его свету, делая его идеальным ферментом, чтобы изучить использующий произведенный лазером свет.Чтобы видеть photolyase химию подробно, исследователи активировали фермент световым импульсом, которым тщательно управляют, от лазера. Они впоследствии выставили фермент LCLS-произведенному пульсу рентгена, создав характерный образец разброса рентгена в специализированном датчике.
Анализ рассеянных данных рентгена показал химические и структурные изменения в ферменте на атомном уровне и происходящий во временных рамках одной миллионной одной миллиардной секунды.Одна из конечных целей изучения ферментативного процесса ремонта ДНК должна спроектировать синтетические ферменты, которые подражают, но еще лучше, чем найденные в природе.«Есть все еще некоторые главные промежутки в нашем понимании того, как ферменты работают, подчеркнутые тем, что сделанные человеком ферменты должны все же соответствовать работе природы», говорит Лейн. «Мы надеемся, что наши эксперименты здесь в LCLS помогут нам устранить те разрывы, получать нас ближе к пониманию и использованию живых существ химии делает каждый день».
Исследовательская группа, изучающая механизм ремонта photolyase, включает ученых из SLAC, Центра Науки Лазера на свободных электронах (CFEL) в Германии, Университете Чэпмена, KTH Королевский технологический институт в Стокгольме, Швеция, Университете штата Огайо, Стэнфордском университете и Университете Гетеборга, Швеция.