Новий аналітичний метод може дати недосяжне досі розуміння надзвичайно швидкої динаміки біомолекул. Команда розробників на чолі з Аббасом Уурмаздом з Університету Вісконсін і Робін Сантрою з DESY представила розумне поєднання квантової фізики і молекулярної біології. Вчені використовували свою нову техніку для того, щоб відстежити, яким чином фотоактивний білок жовтого кольору (PYP) зазнає змін у своїй структурі менш ніж за трильйонну частку секунди після збудження світлом.
«Щоб точно зрозуміти біохімічні процеси в природі, такі як фотосинтез у певних бактерій, важливо знати детальну послідовність подій», - пояснює Робін Сантра. «Коли світло потрапляє на фотоактивні білки, їх просторова структура змінюється, і ця структурна зміна визначає, яку роль білок відіграє в природі».
Однак досі було майже неможливо відстежити точну послідовність, в якій відбуваються структурні зміни. Теоретично можна визначити та інтерпретувати тільки початковий і кінцевий стан молекули до і після реакції. Але ми не знаємо точно, як енергія і форма змінюються між ними.
Але дізнатися це з молекулами не так просто. Енергетичний стан молекули можна визначити з великою точністю за допомогою спектроскопії; і яскраві рентгенівські промені, наприклад, від рентгенівського лазера, можуть бути використані для аналізу форми молекули. Надзвичайно коротка довжина хвилі рентгенівських променів означає, що вони можуть дозволяти дуже маленькі просторові структури, такі як положення атомів в молекулі. Однак у результаті виходить не зображення, подібне до фотографії, а характерний інтерференційний візерунок, який можна використовувати для визначення просторової структури, яка його створила.
Яскраві та короткі рентгенівські спалахи
Оскільки на молекулярному рівні руху дуже швидкі, вченим доводиться використовувати надзвичайно короткі імпульси рентгенівського випромінювання, щоб зображення не було розмитим. Тільки з появою рентгенівських лазерів стало можливим отримувати досить яскраві і короткі рентгенівські імпульси, щоб вловити цю динаміку.
Однак, оскільки молекулярна динаміка має місце в галузі квантової фізики, де закони фізики відхиляються від нашого повсякденного досвіду, вимірювання можна інтерпретувати тільки за допомогою квантово-фізичного аналізу.
Необхідно враховувати особливість фотоактивних білків: падаюче світло збуджує їх електронну оболонку, щоб перейти в більш високий квантовий стан, і це викликає початкову зміну форми молекули. Ця зміна форми, в свою чергу, може призвести до перекриття збудженого і основного квантових станів.
В результаті квантового стрибка збуджений стан повертається в основний стан, в результаті чого форма молекули залишається незмінною. Отже, конічний перетин квантових станів відкриває шлях до нової просторової структури білка в основному квантовому стані.
Тепер вченим вперше вдалося розгадати структурну динаміку фотоактивного білка на такому конічному перетині. Вони зробили це, спираючись на машинне навчання, тому що повний опис динаміки фактично зажадав би розгляду всіх можливих рухів всіх задіяних частинок. Це швидко призводить до некерованих рівнянь, які неможливо вирішити.
6000 вимірювань
«Вивчений нами фотоактивний білок жовтого кольору складається приблизно з 2000 атомів», - пояснюють вчені. "Оскільки кожен атом в основному вільний рухатися у всіх трьох просторових вимірах, існує в цілому 6000 варіантів руху. Це призводить до квантово-механічного рівняння з 6000 вимірюваннями, яке сьогодні не можуть вирішити навіть найпотужніші комп'ютери ".
Однак комп'ютерний аналіз, заснований на машинному навчанні, дозволив виявити закономірності колективного руху атомів у складній молекулі. «Ми дивимося не на кожен атом окремо, а на їх колективний рух», - говорить Робін Сантра. Використовуючи цю техніку, комп'ютер зміг зменшити приблизно 6000 вимірювань до чотирьох. Продемонструвавши цей новий метод, вчені також змогли вперше охарактеризувати конічний перетин квантових станів у складній молекулі, що складається з тисяч атомів.
Докладний розрахунок показує, як конічний перетин утворюється в чотиримірному просторі і як фотоактивний жовтий білок опускається через нього назад у вихідний стан після збудження світлом. Тепер вчені можуть описати цей процес з кроком у кілька десятків фемтосекунд (квадрильйонних часток секунди) і, таким чином, поглибити розуміння фотоактивних процесів.
