研究人员研究从UV射线修理DNA损伤的酶

UV光在DNA构建块胸腺嘧啶中的原子之间产生损坏的联系。一种称为光解酶的酶，其被不同波长的光触发，将它们切出并修理损坏。（Dave Goodsell / PDB-101的彩色插图）

使用SLAC的X射线激光激光的生化“动作镜头”可以帮助科学家为医学开发合成酶，并回答关于酶在化学反应期间如何变化的基本问题。

能源部斯拉克国家加速器实验室的研究团队正在使用LinaC相干光源（LCLS）来研究植物，细菌和一些动物的酶，这些动物修理由太阳紫外线（UV）光线造成的DNA损伤。

通过研究这种酶，称为DNA光解酶，随着LCLS X射线激光的超效率和超快脉冲，研究人员最终有机会在实时催化化学反应并以原子尺度催化化学反应来观察酶关于这些酶如何工作的长期辩论。最终，这种知识可用于工程师改进的酶的改进的酶，这些酶驱动生物系统中的至关重要的反应，或产生本质上不存在的新酶。

“酶进行的生化反应是在LCLS的副员工科学家托马斯约瑟夫巷托马斯约瑟夫巷核心。“但是细节如何在极短的时间尺度上发生的化学过程中隐藏在化学过程中，达到百万分之十亿分之一，所以我们需要LCLS来揭示他们的秘密。”

强大的维修机器

在短短几秒钟，来自太阳的紫外线可以通过在DNA的双螺旋中产生数百个不需要的环节来损害DNA。这些修饰使DNA复制工具的遗传物质庞大，不可读，导致永久性突变，如果留下无铅，可以导致癌症和其他疾病。

但是携带损坏紫外线的阳光也含有蓝光，可以诱导光解酶以快速修复任何DNA损伤。

Photolyase被认为是植物 - 每天在阳光下暴露的植物的一个原因 - 缺乏光解酶的人易受紫外线损伤。人类和其他哺乳动物必须返回替代DNA修复机制（或避免完全进入阳光）。

使用超快X射线相机

通过LCLS，研究人员现在可以访问世界上一些最快和最亮的X射线激光脉冲，以研究生物如何从UV损坏造成伤害。

例如，今年早些时候，由SLAC副员工科学家托马斯沃尔夫领导的科学家团队使用LCLS，以了解保护过程的第一步，可防止DNA构建块胸腺嘧啶中的紫外线损伤。

“在LCLS之前，其他X射线'相机'太慢，”车道解释道。“试图用那些X射线源准确地进行成像酶和其他蛋白质将是试图采取与旧相机游泳的迈克尔菲尔普斯的动作拍摄。你只会在整个100码蝴蝶事件中获得一些模糊图像，这几乎不会令令人兴奋或信息丰富的照片。“

但是，通过LCLS，“想象一系列一系列的高分辨率镜头 - 你能够捕捉每滴水和菲尔普斯手腕的每一滴水。这就是LCLS让我们在可视化酶活性时做的。“

建立更好的酶

与狼的实验相比，DNA如何保护自己免受损坏，一旦保护机制失败，巷队的团队就会研究光调酶如何修复紫外线损坏。通过将其暴露于光线将光聚酶以极高的精度控制，使其成为使用激光产生的光学研究的理想酶。

为了详细了解光聚酶化学，研究人员用来自激光的小心控制的光脉冲激活酶。随后将酶暴露于LCLS产生的X射线脉冲，在专用检测器中产生特征X射线散射图案。散射X射线数据的分析显示了原子水平的酶的化学和结构变化，并在百万分钟的一百万分钟的时间等级发生。

最佳：通过LCLS X射线激光探测在它们探测之前结晶光降解酶的光学显微镜图像。底部：来自光学酶晶体的X射线衍射图。通过与晶体中的原子相互作用的X射线制成的这些图案用于确定分子的结构。（Thomas Joseph Lane / Slac National Accelerator实验室）

研究酶促DNA修复过程的最终目标之一是工程师的合成酶，其模仿但甚至比本质上的那些更好。

“我们了解如何理解酶的工作，突出的事实是，人造酶尚未匹配大自然的表现，”巷说道仍然突出。““我们希望我们在LCLS的实验将帮助我们弥合那些差距，让我们更接近理解和利用每天化学生活的东西。”

研究光聚酶修复机制的研究团队包括德国自由电子激光科学（CFEL）的SLAC科学家，斯德哥尔摩斯德哥尔摩皇家理工学院，瑞典，俄亥俄州州立大学，斯坦福大学和瑞典哥德堡大学。