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电场如何影响光敏蛋白内的分子扭曲

来自能源部的SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一组科学家已经了解到电场如何影响光能驱动生物成像中常用蛋白质的分子运动和转化的方式。对这种现象的更好理解,这对于生物系统和材料中发生的许多过程至关重要,可以使研究人员能够微调系统的特性以利用这些效应,例如使用光控制大脑中的神经元。他们的发现发表在一月份的《科学》杂志上。

电场如何影响光敏蛋白内的分子扭曲

扭曲和喊叫

人类的视觉,光合作用和其他自然过程利用包含称为发色团的分子的蛋白质来收集光,其中许多分子在受到光的照射时就会发生扭曲。这种扭曲运动的特征是光异构化,即分子的一部分围绕特定的化学键旋转。

负责这项研究的生物物理化学家,斯坦福大学教授史蒂芬·博克(Steven Boxer)说:“ 蛋白质环境的某些方面正在引导这一非常具体而重要的过程。” “一种可能性是原子在分子空间中的分布会阻止或允许绕每个化学键旋转,这被称为空间效应。另一种选择与这样的想法有关,即当具有双键的分子被激发时,电荷,所以周围的电场可能会使一个键的旋转优先于另一个键的旋转。这称为静电效应。”

不同的曲调

为了了解更多有关此过程的信息,研究人员研究了绿色荧光蛋白,该蛋白是生物成像中常用的一种蛋白,发色团可以以多种方式对光产生响应,从而对该蛋白内的局部环境敏感,从而产生各种荧光。颜色和强度。

负责这项研究的斯坦福大学研究生Matt Romei和Chi-Yun Lin通过引入化学基团来调节蛋白质中发色团的电子性质,该化学基团系统地从发色团中增加或减少了电子,从而产生了电场效应。然后他们测量了这如何影响发色团的扭曲运动。

在SLAC 斯坦福同步辐射光源(SSRL)的科学家Irimpan Mathews的帮助下,研究人员在SSRL光束线7-1、12-2和14-1上使用了一种称为大分子晶体学的X射线技术来绘制这些调谐的蛋白质表明这些变化对发色团和周围蛋白质的原子结构影响很小。然后,使用多种技术,他们能够测量生色团电子分布的变化如何在受到光照射时影响旋转发生的位置。

罗米说:“到目前为止,有关这种特定蛋白质的光异构化的大多数研究要么是理论上的,要么集中在空间效应上。” “这项研究是第一个通过实验研究该现象并显示出静电效应的重要性的研究。一旦我们绘制了数据,我们看到了这些非常好的趋势,表明调节发色团的电子性质对其键异构化有巨大影响。属性。”

珩磨工具

这些结果还提出了通过操纵发色团周围的环境来设计光敏蛋白的方法。林补充说,相同的实验方法可用于研究和控制许多其他系统中的静电效应。

林说:“我们正在试图找出控制这一过程的原理。” “我们希望利用我们学到的知识,在光遗传学等领域应用这些概念来开发更好的工具,在那里您可以选择性地操纵神经以导致大脑的某些功能。”

Boxer补充说,蛋白质内部有组织的电场对于许多生物学功能很重要的想法是一个新兴的概念,可能会引起广泛的关注。

他说:“我们实验室的许多工作都集中在开发方法来测量这些领域并将它们与酶催化等功能联系起来,现在我们看到光异构化适合这种框架。”

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