Wie viel Unterschied kann ein zehntel Nanometer zu machen? Wenn es um herauszufinden, wie Proteine arbeiten geht, kann eine Verbesserung der Auflösung dieser winzigen Menge den Unterschied zwischen Sehen, wo Atome sind und verstehen, wie sie interagieren.
Obere und Mittlere Panels: atomare Details von Zink-Bindung an das Zink-Transporter-Protein, wie YiiP bekannt. Unten: Eine Karikatur zeigt, wie Zink-Bindung kann das Protein Form zu ändern, um die Koordinationsgeometrie des aktiven Zentrums für Zink Verkehr (dargestellt als ein Tetraeder in Mitte) zu regulieren.
Case in point: Neue, verbesserte Auflösung Ansichten eines Zink-Transporter-Protein an der Entzifferung US Department of Energy Brookhaven National Laboratory bieten nicht nur eine Struktur, sondern auch eine vorgeschlagene Mechanismus, wie Zellen Sinn und regulieren Zink, eine wesentliche Voraussetzung für das Leben ist , aber das muss bei einem stationären Zustand gehalten werden, um Probleme wie Krämpfe, Diabetes und möglicherweise die Alzheimer-Krankheit zu vermeiden.
Die neuen Erkenntnisse, um online auf 13. September 2009 veröffentlicht werden, die von Nature Structural & Molecular Biology, auch darauf hin, Ziele für die Zink-regulierende Medikamente und kann sogar vorher das Verständnis von ähnlichen Zink-regulierenden Enzyme in pflanzlichen Chloroplasten mit möglichen Folgen für Biokraftstoff Produktion.
"Unser Ziel ist atomaren Wechselwirkungen in einer Proteinstruktur zeigen die Chemie, dass das Protein die biologische Funktion zugrunde zu verstehen ist", sagte Brookhaven Biologe Dax Fu, der die Studie leitete. "Mit dieser Struktur können wir beginnen, den Mechanismus der Zink-Transport auf chemischer Ebene zu verstehen."
Die Struktur offenbart wurde mit Röntgen-Kristallographie am Brookhaven Lab der National Synchrotron Light Source (NSLS), eine Quelle für intensive Röntgen-, Ultraviolett-und Infrarot-Licht. Durch das Studium, wie Röntgenstrahlen abprallen kristallisierte Proben eines Proteins, können die Wissenschaftler die Position und Orientierung des Proteins Atome in drei Dimensionen zu rekonstruieren.
Das Brookhaven Team hatte zuvor NSLS verwendet werden, um eine Zink-Transporter-Protein-Struktur bei geringerer Auflösung zu lösen *. Um die neue und verbesserte Struktur, fügte der Wissenschaftler Quecksilber-Atome an Protein Verpackung in den Kristallen zu stabilisieren. Dies erhöht die Auflösung ihrer x-ray Vision durch eine bloße Angström (zehntel Nanometer). Aber weil es die allgemeine Auflösung ihrer Struktur gebracht auf knapp unter 3 Angström - der Punkt, an dem einzelne Atome beginnen sichtbar zu werden - es konnten die Wissenschaftler das Protein in Aktion zu sehen, wie es gebunden und transportiert Zinkionen.
Mit fluoreszierenden Sonden, die Wissenschaftler auch untersucht, wie das Protein veränderte Form in Reaktion auf Zink-Bindung. Und sie getestet, wie Änderungen an Strukturelementen der Zink-Transporter-Protein würde seine Fähigkeit, Zink Verkehr beeinträchtigen.
Zusammengenommen deuten diese Experimente eine Auto-Regulationsmechanismus für Zink Transport: Zink-Bindung innerhalb der Zelle auslöst scharnierartige Bewegungen der zwei elektrisch abstoßenden Teile des Proteins, liegen innerhalb des Zellinneren, was zu einer Konformationsänderung in dem Teil des Protein, durchquert die Zellmembran. Also, wenn Zink-Spiegel im Inneren der Zelle zu hoch steigen, verlagern diese Form irgendwie schiebt Zink-Ionen durch die Membran und aus der Zelle.
"Genau wie das Protein die Zinkionen schiebt durch die Membran ist noch nicht ermittelt werden", sagte Fu, der, dass dies ein Schwerpunkt der zukünftigen Forschung ergänzt werden.
Es ist denkbar, fügte er hinzu, Medikamente, um das Zink-sensing Teile des Proteins binden kann zur Modulation Zink Transportaktivität und zur Anpassung der Zink-Spiegel als mögliche Behandlungen für Krankheiten wie Anfallsleiden oder Diabetes sein. Brookhaven Science Associates, die Brookhaven Lab verwaltet, hat eine Patentanmeldung im Zusammenhang mit dieser Arbeit eingereicht.
Darüber hinaus, weil andere Metall-Transport-Proteine ähnliche Architektur teilen mit den Zink-Transporter-Protein, kann die Ergebnisse dieser Studie vorab das Verständnis für andere medizinische Störungen in Verbindung mit Metall-Ungleichgewicht, sowie die Entwicklung von Behandlungsmöglichkeiten für diese Bedingungen.
Darüber hinaus kann diese Arbeit haben Auswirkungen für die Forscher versucht, die Perspektiven der Erzeugung von Biomasse in Pflanzen, eine wesentliche Komponente für die Entwicklung von Biokraftstoffen zu verbessern. Zink ist ein essentieller Co-Faktor in einer Vielzahl von Reaktionen in den Chloroplasten, dem Ort der Photosynthese. Aber wie es der Fall bei Tieren, kann überschüssige Metalle werden hochgiftige in Pflanzen. Folglich könnten die Untersuchungen zur Aufklärung Zink-Transporter-Protein-Funktion den Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie Pflanzen das empfindliche Gleichgewicht für ideale Wachstumsbedingungen notwendig halten.
Zukünftige Studien von Protein-Strukturen am Brookhaven Lab versprechen noch mehr mechanistischen Detail offenbaren, wenn eine neue Lichtquelle, wie NSLS-II bekannt ist, öffnet sich im Jahr 2015. Diese Anlage, im Bau, wird 10.000-mal heller als NSLS. Das Schub in der Helligkeit - und damit Auflösung - wäre besonders wichtig bei der Untersuchung von Membranproteinen, die die überwiegende Mehrheit der Proteine von Interesse, diese Entwicklung von Medikamenten darstellen, die aber auch oft schwierig zu kristallisieren.
"Wie diese Studie gezeigt, selbst kleine Verbesserungen in Röntgenbeugung Auflösung kann sehr Voraus unsere mechanistischen Verständnis der Funktion von Proteinen", sagte Fu.
Diese Arbeit wurde am Strahlrohr X25A am NSLS durchgeführt. Die Arbeit wurde durch die National Institutes of Health unterstützt, DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences), und von der Abteilung für Biologie am Brookhaven Lab.