Röntgenlaser toi atomintarkkaa tietoa fytokromin toimintamekanismeista – kasvit reagoivat valoon sekunnin murto-osassa
Kasvit sopeutuvat jatkuvasti ympäröivään valaistukseen, kun valo aiheuttaa muutoksia niiden kasvussa ja kehityksessä. Fytokromit ovat kasveissa olevia tärkeitä valoa-aistivia reseptoriproteiineja, jotka mahdollistavat valaistukseen sopeutumisen. Valo aiheuttaa fytokromissa rakennemuutoksia, jotka alkavat pienistä muutoksista sen valoa absorboivasta molekyylistä, kromoforista.
”Fytokromi aistii kahta eri valon aallonpituutta, mikä antaa kasveille, sienille ja bakteereille alkeellisen kaksivärinäön. Tälle näköaistimukselle on erityisen tärkeää nopeat vasteet, joissa valosignaali muunnetaan proteiinin rakenteellisiksi muutoksiksi sekunnin murto-osissa”, kertoo tohtoriopiskelija Elin Claesson Göteborgin yliopistosta Ruotsista.
”Tällaisten ultranopeiden biomolekyylien rakennemuutosten tutkimisessa tarvittava teknologia on tullut tutkijoiden käyttöön vasta viime vuosina”, sanoo tutkijatohtori Heikki Takala, joka työskentelee sekä Jyväskylän yliopiston bio- ja ympäristötieteiden laitoksella että Helsingin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa anatomian osastolla.
Tutkimuksessa mittauksissa käytettiin Japanissa olevaa röntgenlaseria, jonka kaltaisia löytyy maailmasta vasta muutamia. Laserin avulla pystytään ottamaan atomitason “valokuvia” proteiinissa tapahtuvista muutoksista kymmenen femtosekunnin (sekunnin kvadriljoonasosan) välein. Tämä mahdollisti fytokromin sisäisten, valolla laukaistavien rakenteellisten tapahtumaketjujen seuraamisen.
Valo aiheuttaa proteiinissa rakennemuutoksia
Tutkimusryhmä löysi yllättävän suuria rakennemuutoksia fytokromin valoa aistivassa kromoforissa ja sitä ympäröivässä proteiinitaskussa. Nämä muutokset tapahtuivat lähes välittömästi fotonin absorption jälkeen. Yksi kromoforin rengasrakenteista, D-rengas, kääntyi, minkä seurauksena viereiset renkaat ja kromoforia ympäröivät atomit siirtyivät. Yllättäen fytokromeissa erittäin keskeinen vesimolekyyli, niin kutsuttu pyrrolivesi, irtosi sitoutumispaikastaan kromoforin läheisyydessä.
“Nämä tulokset osoittavat, että ensimmäiset valon laukaisevat vasteet ovat kollektiivisia ja että useilla kromoforin ja proteiinin osilla on tässä tärkeä rooli. Me oletamme, että nämä tapahtumat mahdollistavat yhdessä valon muuttamisen fytokromin rakenteelliseksi signaaliksi, joka ohjaa kasvien, sienien ja bakteerien kasvua ja kehitystä”, esittää Sebastian Westenhoff Göteborgin yliopistosta.
Tutkimus tehtiin laajana kansainvälisenä yhteistyönä. ۳ٱٲöverkostoon kuuluivat Jyväskylän yliopistosta tohtori Heikki Takala, professori Janne Ihalainen ja professori Gerrit Groenhof tutkimusryhmineen.
”Tulosten saavuttaminen on vaatinut pitkäkestoista ja monitieteellistä yhteistyötä, jossa yhdistyy rakennebiologian, spektroskopian ja laskennallisen kemian tieteenalojen asiantuntemusta. Röntgenlaseria hyödyntävä menetelmämme on yksi harvoista, ellei jopa ainoa, jonka avulla näin nopeita atomitason rakennemuutoksia voidaan seurata”, sanoo Janne Ihalainen Jyväskylän yliopistosta.
Linkki eLife-julkaisuun: osoitteessa
Kuva: Kuvan käyttö vapaasti lisenssi CC4.0 puitteissa.
Yhteystiedot:
Professori Janne A. Ihalainen, bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto, janne.ihalainen@jyu.fi, puh. +358 40 024 7979
Tutkijatohtori Heikki Takala, bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto, Heikki.p.takala@jyu.fi, puh. +358 40 848 5365
Tiedottaja Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 581 8351
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
/science/fi
jyscience jyuscience jyscience