초고속 이미징으로 시력의 초기 단계에 빛을 비추다 – Physics World

인간과 다른 척추동물이 빛을 감지할 수 있게 해주는 단백질인 로돕신은 빛에 민감한 G 단백질 결합 수용체(GPCR) 계열에 속합니다. 시력이 시작되기 위한 신호 전달 경로에서 먼저 옵니다. 일단 광자를 흡수하면 로돕신 내부에 위치한 발색단인 망막에서 즉각적인(200fs 이내) 구조적 변화가 발생합니다. 이 초기 구조적 변화는 시력의 초기 단계를 설정하는 세포 신호 변환 프로세스를 시작합니다. 그러나 광활성화 레티날이 로돕신 내부의 활성화 이벤트를 유도하는 실시간 분자내 이벤트의 세부 사항은 아직 명확하지 않습니다.

이러한 지식 격차를 해소하기 위해 폴 셰러 연구소 스위스의 (PSI)는 광자를 흡수한 후 로돕신의 형태 변화를 연구하기 위해 초고속 시간 분해 결정학을 사용했습니다. 그들의 연구 결과는 자연, 레티날이 광자 에너지의 일부만 흡수하고 나머지 에너지를 저장하여 G 단백질 결합 신호 상태의 형성과 관련된 구조적 변화에 연료를 공급하는 방법을 설명하십시오.

원자 규모에서 초고속(피코초) 시간 분해능으로 망막 발색단의 활성화 메커니즘을 기록하고 분석하기 위해 팀은 실온에서 시간 분해 직렬 펨토초 결정학(TR-SFX)을 사용했습니다.

실험을 위해 연구원들은 먼저 고품질 로돕신 미세 결정을 성장시킨 다음 TR-SFX를 사용하여 결정의 일련의 회절 패턴 이미지를 생성했습니다. 보다 정확하게는 광학 레이저 ​​펄스를 사용하여 결정의 단백질 분자를 광활성화한 다음 지정된 시간 지연 후 XFEL(X선 자유 전자 레이저)의 X선 펄스로 구조를 조사했습니다. 연구원들은 사실상 초고속 카메라인 XFEL로 기록하면서 무작위 방식으로 배열된 수만 개의 크리스탈에서 직렬 프레임을 수집했습니다.

팀이 수행한 분석에는 결정학 관찰에 대한 구조적 개선과 함께 전자 밀도 변화에 대한 로돕신 구조 모델링이 포함되었습니다. 이것은 로돕신의 첫 번째 준안정 중간체가 광활성화 후 1fs에 나타난다는 점을 감안할 때, 망막 발색단의 굽힘과 함께 광유도 이성질체화(분자가 두 개의 별개의 형태 사이를 전환하는 것)가 200ps 동안 지속된다는 것을 밝혔습니다. 그런 다음 100ps 후에 로돕신 구조는 보다 이완된 형태를 채택합니다. 따라서 결과는 단백질이 에너지 소산을 위해 GPCR 구조 경로의 활성(또는 기능적) 영역을 활용함을 시사합니다.

인공적으로 시력을 복원하기 위해 점을 연결

이 새로운 연구의 한 가지 하이라이트는 실온 구조가 광활성화 과정에서 나중에 역할을 하는 것을 포함하여 이전에 설명한 모든 기능적 및 구조적 물 분자에 대한 전자 밀도를 드러낸다는 것입니다. 연구원들은 극저온 조건에서 해결된 이전 구조가 이를 달성하지 못했다는 점에 주목합니다. 결과적으로, 로돕신의 새로운 고해상도 SFX 구조는 단백질 내의 물 매개 수소 결합 네트워크 전체를 보여줍니다.

이 조사는 시력의 초기 단계에 빛을 비추어 로돕신의 초고속 에너지 소산이 GPCR 활성화 경로의 보존된 잔류물을 통해 발생한다는 것을 보여줌으로써 이 가장 큰 GPCR 제품군(클래스 A)에서 초기 활성화 이벤트를 연구할 수 있는 길을 열어줍니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/ultrafast-imaging-sheds-light-on-the-earliest-stages-of-vision/