Unik växelverkan mellan terahertzvågor och proteiner
Nu har forskare vid Göteborgs universitet och Chalmers tillsammans med tyska forskare och med hjälp av modern terahertzteknik och röntgenkristallografi observerat att kvantfysikern Herbert Fröhlich nästan 50 år gamla förutsägelser om kondensering i biomolekyler verkar stämma.
− Våra studier öppnar dörren till mycket mer omfattande studier med terahertzvågor på proteiner, säger projektledaren Gergely Katona, forskare vid Göteborgs universitet.
Om man kyler ner atomer så mycket som möjligt hamnar de i ett tillstånd med oerhört låg energi och låg vibrationsfrekvens. År 1968 förutspådde fysikern Herbert Fröhlich att en liknande process vid högre temperaturer kunde koncentrera all vibrationsenergi i ett biologiskt protein till dess lägsta vibrationsfrekvens.
Ett första genombrott
Forskare i Sverige och Tyskland har fått det första experimentella beviset för att ett sådant så kallat Fröhlich tillstånd existerar. Resultaten rapporteras nu i tidskriften Structural dynamics, som lyfter fram deras forskningsartikel.
Forskarna använde sig i experimenten av en kombination av terahertzteknik och röntgenkristallografi där röntgenstrålning och terahertzstrålning samtidigt fick genomlysa en kristall av proteinet lysozym, som kommer från äggvita.
Från samspelet mellan proteinkristallen och röntgenstrålarna kunde forskarna räkna ut den relativa densiteten av elektroner på olika platser i provmaterialet, som sedan kunde användas för att beskriva atomers och molekyler läge.
− Vi har för första gången visat hur terahertzstrålning kan ändra den lokala densiteten av elektroner inom ett protein, detta öppnar upp för studier om proteiners egenskaper från ett helt nytt perspektiv, säger Ida Lundholm vid Göteborgs universitet som är huvudförfattare till artikeln tillsammans med kollegan Helena Rodilla på Chalmers.
Terahertzområdet upptar utrymmet i det elektromagnetiska spektrumet mellan radiovågor och infrarött ljus. Samspelet mellan molekylers vibrations-/rotationsövergångar och terahertzvågor har länge studerats av radioastronomer för att ge oss kunskap om universums sammansättning och utveckling.
− Våra resultat visar nu att terahertzteknik även kan bli ett unikt verktyg för att förstå och kartlägga vår biologis minsta byggstenar, säger Jan Stake, professor i terahertzteknik vid Chalmers.
Öppnar dörren för fler studier
Studierna av Fröhlich kondensering öppnar dörren för en mer omfattande forskning med terahertzstrålning på proteiner. De teoretiska grunderna är relativt enkla, anser Gergely Katona, senior forskare vid institutionen för kemi och molekylärbiologi vid Göteborgs universitet.
− Fröhlich förutspådde att fotoner i terahertzområdet kan stimulera en resonans och koherent lågfrekvent rörelse i stora molekyler. Det som är fascinerande är att väldigt liten tillförd energi hos THz-fotonerna kan samla de vibrerande molekylerna och den totala termiska energin till ett gemensamt grundtillstånd, där molekylerna vibrerar vid en gemensam låg frekvens. Andra modeller förutsäger däremot att proteinet snabbt kommer att skingra energin från fotonen i form av värme, säger Gergely Katona.
Kontakt:
Gergely Katona, institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet
Tel: 031-786 3959, E-post: gergely.katona@gu.se
Jan Stake, professor vid Chalmers tekniska högskola
Tel: 031-772 18 36, E-post: jan.stake@chalmers.se
Structural Dynamics är en vetenskaplig tidskrift om forskningsmetoder och tekniker.
Länk till artikeln>>
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sdy/2/5/10.1063/1.4931825
Foto:
Bild 1: Lysozym-molekyler ordnade i kristallen. De röda spiralstrukturerna får elektrondensitetsförändringar när proteinkristallen exponeras för terahertzvågor.
Bild 2: Porträttbild av Gergely Katona, GU
Bild 3: Porträttbild av Ida Lundholm, foto Francesco Benzi
Bild 4: Porträttbild av Jan Stake, foto Jan-Olof Yxell
Bild 5: Porträttbild av Helena Rodilla, Chalmers
Carina Eliasson
Pressinformatör
Göteborgs universitet
telefon: 031-786 98 73
e-post: carina.eliasson@science.gu.se
Följ oss på Twitter. Gilla oss på Facebook.
Göteborgs universitet är ett av de stora i Europa med 37 000 studenter och 6 000 anställda. Verksamheten bedrivs av åtta fakulteter, till allra största del i centrala Göteborg. Utbildning och forskning har stor bredd och hög kvalitet – det vittnar sökandetryck och nobelpris om. www.gu.se.
Taggar:
