Las aplicaciones de la física ultrarrápida a la biología estructural revelan la compleja danza de la "coherencia" molecular con una claridad sin precedentes. Comprender cómo responden las moléculas a estímulos como la luz, por ejemplo durante la fotosíntesis, es fundamental para la biología. Los científicos han estado trabajando para descubrir cómo operan estos cambios en múltiples áreas y, al unir dos de estas áreas, los investigadores están allanando el camino hacia una nueva era en la comprensión de las reacciones moleculares de las proteínas cruciales para la vida.
Un gran equipo de investigación internacional dirigido por el profesor Jasper van Thor del Departamento de Ciencias de la Vida del Imperial College de Londres informó recientemente sus hallazgos en la revista Nature Chemistry.
La cristalografía es una técnica poderosa en biología estructural que toma "instantáneas" de cómo están dispuestas las moléculas. Después de varios experimentos a gran escala y años de investigación teórica, el equipo detrás del nuevo estudio combinó esta técnica con otra técnica para mapear las vibraciones de las configuraciones electrónicas y nucleares de una molécula, conocida como espectroscopia.
Al demostrar la nueva técnica en potentes instalaciones de láser de rayos X en todo el mundo, el equipo demostró que cuando las moléculas de las proteínas que estudiaron se excitaban ópticamente, sus movimientos iniciales eran el resultado de la "coherencia". Esto sugiere que se trata de un efecto vibratorio más que de un movimiento posterior de partes funcionales de la respuesta biológica.
Esta importante diferencia, mostrada experimentalmente por primera vez, pone de relieve cómo la física espectral puede arrojar nueva luz sobre los métodos cristalográficos clásicos de la biología estructural.
El profesor Van Tol dijo: "Cada proceso que sustenta la vida es llevado a cabo por proteínas, pero para comprender cómo estas moléculas complejas hacen su trabajo es necesario comprender la disposición de sus átomos y cómo esta estructura cambia durante las reacciones. Usando métodos de espectroscopia ahora podemos ver directamente en forma de imágenes resolviendo sus estructuras cristalinas. Ahora tenemos las herramientas para comprender e incluso controlar la dinámica molecular en escalas de tiempo extremadamente rápidas que se acercan a la resolución atómica. Esperamos que al compartir los detalles metodológicos de esta nueva técnica, animemos a los investigadores en el campo de la biología estructural resuelta en el tiempo, así como de la espectroscopia láser ultrarrápida, a explorar la estructura cristalina de procesos coherentes".
Combinación de tecnologías
La combinación de estas tecnologías requiere el uso de instalaciones de láser de electrones libres de rayos X (XFEL), incluida la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en los Estados Unidos, el láser de electrones libres compacto SPring-8 Angstrom (SACLA) en Japón, PAL-XFEL en Corea del Sur y, más recientemente, el XFEL europeo en Hamburgo.
Los miembros del equipo han estado trabajando en XFEL desde 2009, aprovechando y comprendiendo el movimiento de proteínas reactivas en la escala de tiempo de femtosegundos (milmillonésima de segundo), conocida como química de femtosegundos. Después de la excitación con un pulso láser, se utilizan rayos X para tomar una "instantánea" de la estructura.
En 2016, la tecnología logró un éxito inicial, describiendo en detalle los cambios que se producen en las proteínas biológicas inducidos por la luz. Sin embargo, los investigadores todavía tienen que resolver una pregunta clave: ¿Dónde se origina el pequeño "movimiento" molecular en la escala de tiempo de femtosegundos inmediatamente después del primer pulso de luz láser? Investigaciones anteriores han asumido que todos los movimientos corresponden a respuestas biológicas, es decir, sus movimientos funcionales. Pero utilizando el nuevo método, el equipo descubrió en experimentos que ese no era el caso.
control coherente
Para llegar a esta conclusión, crearon el "control de coherencia": dar forma a la luz láser para controlar el movimiento de las proteínas de una manera predecible. Después del éxito inicial en el LCLS de Stanford en 2018, para verificar y validar el enfoque, llevaron a cabo un total de seis experimentos en las instalaciones de XFEL en todo el mundo, cada vez formando grandes equipos y colaboraciones internacionales. Luego combinaron estos datos experimentales con métodos teóricos modificados de la química de las gotas para que pudieran aplicarse a datos cristalográficos de rayos X en lugar de datos espectroscópicos.
La conclusión es que los movimientos ultrarrápidos medidos con precisión en escalas de tiempo de picómetro y femtosegundo no pertenecen a reacciones biológicas, sino a la coherencia vibratoria del estado fundamental restante. Esto significa que las moléculas "que sobran" después del impulso del láser de femtosegundo dominan el movimiento medido posteriormente, pero sólo dentro del llamado tiempo de coherencia vibratoria.
El profesor Van Thor dijo: "Concluimos que en nuestros experimentos, incluso sin incluir el control de coherencia, las mediciones convencionales resueltas en el tiempo en realidad están dominadas por movimientos del estado fundamental del 'reactivo' oscuro que no están relacionados con reacciones biológicas inducidas por la luz. En cambio, estos movimientos se oponen a los medidos por espectroscopía vibratoria convencional "