Les protéines sont les poids lourds de la biochimie. Ces molécules costaudes agissent comme des blocs de design, des récepteurs, des processeurs, des courriers et des catalyseurs. “Les protéines sont les machines moléculaires qui alimentent toute vie sur Terre”, a expliqué Mark Sherwin, professeur de physique à l’UC Santa Barbara. Naturellement, les scientifiques ont consacré de nombreuses recherches à la compréhension et à la manipulation des protéines.
Une équipe dirigée par des chercheurs de l’UC Santa Barbara, dont Sherwin, a fait des progrès pour relever l’un des grands défis de la science moderne : enregistrer des protéines en mouvement dans un environnement réaliste. Les auteurs discutent de leur procedure dans Angewandte Chemie, un journal de la Société allemande de chimie. L’approche pourrait révolutionner notre compréhension de la façon dont les protéines font leur travail et guider la conception de protéines à des fins spécifiques.
Un défi de taille
Comprendre la fonction d’une protéine nécessite as well as qu’une uncomplicated liste de ses events. Pour ces molécules, la forme engendre la fonction. Les scientifiques ont fait d’énormes progrès au cours des 20 dernières années en déchiffrant les formes des protéines en fonction des éléments constitutifs des acides aminés qui les composent.
a déclaré Sherwin. “Vous auriez du mal à comprendre ce qu’il fait. Mais si vous voyiez un film, vous auriez une bien meilleure idée.”
Malheureusement, c’est un défi de taille pour les protéines. Bien qu’il s’agisse de molécules relativement grosses, les protéines ne mesurent encore que quelques nanomètres, 100 fois additionally petites que ce que nous pouvons résoudre même avec les microscopes optiques les as well as puissants. Et ils existent dans des environnements humides et visqueux qui ne sont pas propices à la cinématographie.
figer la protéine, capturer une graphic, répéter. Ceci est souvent d’une difficulté prohibitive pour les mouvements rapides et lents. De additionally, la congélation instantanée de la protéine peut affecter sa framework.
“L’objectif que nous avons est d’éliminer complètement l’aspect de congélation et d’examiner le mouvement de la protéine dans un environnement aussi proche que feasible de la réalité”, a déclaré le co-auteur principal Brad Rate, étudiant diplômé en physique.
Une system complexe
TiGGER consiste à marquer deux factors sur la protéine et à suivre la distance entre ces marqueurs au fur et à mesure que la protéine se déplie et se replie. La star du spectacle est un atome de gadolinium chargé, ou ion. Ses électrons s’alignent de telle manière que l’ion se comporte comme un petit aimant. Si vous le placez dans un champ magnétique puissant, il s’alignera avec ou contre le champ externe et commencera à vaciller.
Les scientifiques collent le gadolinium dans une cage moléculaire pour le stabiliser et ajoutent un échafaudage chimique pour le lier à la protéine. Mais ces morceaux ne sont liés qu’à un seul type d’acide aminé, la cystéine. L’équipe a donc dû modifier les acides aminés qu’elle souhaitait étiqueter en cystéines sans affecter la fonction globale de la protéine. C’était une tâche rendue encore additionally délicate par une cystéine au centre de la protéine qui est essentielle à sa fonction.
“L’étiquette de spin est choisie de manière très stratégique”, a déclaré Maity. “Il est assez gros pour ne pas pénétrer dans le noyau de la protéine, où se trouve la cystéine fonctionnelle. Mais il n’est pas non as well as trop gros pour ne pas perturber la forme naturelle de la protéine.”
L’oscillation, ou “précession”, de l’ion gadolinium est influencée par la proximité de l’autre étiquette, qui a son propre ion gadolinium oscillant générant son propre petit champ magnétique. Cette précession improve en fonction de la proximité des deux balises l’une par rapport à l’autre. Mesurez cette oscillation et vous pourrez en déduire la distance.
C’est précisément ce que les auteurs ont fait en utilisant un laser avec une lumière à des énergies légèrement supérieures à celles d’un 4 à micro-ondes. Lorsque la fréquence de ces ondes inférieures au térahertz et la précession de l’ion correspondent, les ondes sont absorbées. Les scientifiques ont ensuite mesuré cette absorption pour détecter de petits changements dans la précession du gadolinium. Si la quantité d’absorption change avec le temps, cela signifie que les balises se déplacent.
Une protéine éclairante
Les auteurs ont sélectionné une protéine populaire et polyvalente pour développer TiGGER. Leur modèle appartient à la famille des protéines sensibles à la lumière, à l’oxygène ou à la pressure (LOV), en particulier une protéine activée par la lumière appelée AsLOV2. “Les protéines LOV contrôlent des processus allant des rythmes circadiens chez les bactéries, les plantes et les champignons au phototropisme chez les plantes et les micro-organismes”, a déclaré le co-auteur Max Wilson, professeur adjoint au Département de biologie moléculaire, cellulaire et développementale. “En résumé, ils sont intimement liés à la détection de la lumière.”
Cette propriété rend AsLOV2 populaire auprès des scientifiques et des ingénieurs, et straightforward à manipuler. “C’est intéressant et c’est un take a look at parfait”, a déclaré Value, “une predicament qui incorporate le meilleur des deux mondes”.
Les protéines LOV permettent aux scientifiques d’utiliser la lumière comme “télécommande” pour toute une série de processus moléculaires dans les cellules. “Nous l’utilisons pour contrôler la différenciation des cellules souches, la liaison des anticorps, le raidissement et la rest des protéines de la matrice extracellulaire et l’activation des voies de signalisation cellulaire”, a déclaré Wilson.
Le professeur adjoint Arnab Mukherjee, du département de génie chimique, utilise les protéines LOV pour suivre les processus biochimiques dans les cellules vivantes en utilisant la fluorescence, un peu comme un surligneur sous une lumière noire. “Contrairement aux protéines fluorescentes conventionnelles, les protéines LOV fonctionnent par un mécanisme unique qui rend leur” lueur “seen même dans des situations sans oxygène”, a-t-il expliqué. Cela offre un outil pour étudier les microbes vivant dans des environnements anaérobies, comme l’intestin humain.
Mais il est difficile de concevoir ces protéines pour faire ce que veulent les chercheurs. C’est là que TiGGER devient utile. Si des scientifiques comme Wilson et Mukherjee peuvent voir les protéines en mouvement, ils pourraient être moreover délibérés dans leurs processus de conception.
Un regard vers l’avenir
Les auteurs principaux Sherwin et Songi Han, professeur de chimie, ont commencé leur quête pour filmer les protéines en 2006, mais TiGGER n’en est encore qu’à ses débuts. À l’heure actuelle, la method peut produire une trajectoire unidimensionnelle du mouvement d’une protéine entre deux points. Mais sa véritable puissance vient de la répétition de la technique sur plusieurs web sites différents. Cela permet aux scientifiques de reconstituer le mouvement de la protéine dans son ensemble. Ils peuvent ensuite mapper ce mouvement sur un modèle de la protéine pour créer un film d’une manière similaire à l’animation CGI qui donne vie à nos personnages de dessins animés préférés.
Les auteurs se concentrent sur l’optimisation de la strategy avant d’investir du temps à l’appliquer à d’autres web pages sur AsLOV2. Ils s’efforcent d’augmenter le rapport signal sur bruit et d’augmenter la vitesse d’échantillonnage de leurs devices. L’équipe espère également ralentir le mouvement aléatoire des protéines lorsqu’elles sont en suspension dans la solution, ce qui devrait leur permettre de capturer des photographs as well as nettes qu’elles ne le peuvent actuellement.
En attendant, Rate et Maity utilisent TiGGER pour répondre à quelques queries de base sur AsLOV2. Par exemple, pourquoi la protéine se déploie-t-elle as well as de 1 000 fois plus vite qu’elle ne se replie ? Et remark les mutations connues pour affecter le repliement affectent-elles le déroulement ? Ils étudient également remark des ailments as well as chaudes affectent la fonction de la protéine. Les résultats pourraient faire la lumière sur la façon dont l’avoine – la source d’AsLOV2 – réagira au changement climatique.
Finalement, TiGGER peut être traduit en toutes sortes d’autres protéines, tant que les scientifiques peuvent modifier les web-sites d’intérêt en acides aminés cystéine sans affecter la fonction de la protéine. “Les biophysiciens se sont efforcés de” filmer “les protéines en mouvement pour acquérir une compréhension approfondie de leurs fonctions biologiques”, a déclaré Maity. “TiGGER a le potentiel de réaliser ce rêve.”