Uma nova técnica analítica é capaz de fornecer insights até então inatingíveis sobre a dinâmica extremamente rápida das biomoléculas. A equipe de desenvolvedores, liderada por Abbas Ourmazd da Universidade de Wisconsin-Milwaukee e Robin Santra do DESY, está apresentando sua combinação inteligente de física quântica e biologia molecular na revista científica Nature. Os cientistas usaram a técnica para rastrear a maneira como a proteína amarela fotoativa (PYP) sofre mudanças em sua estrutura em menos de um trilionésimo de segundo após ser excitada pela luz.
“Para entender com precisão os processos bioquímicos da natureza, como a fotossíntese em certas bactérias, é importante conhecer a sequência detalhada dos eventos”, diz Santra. “Quando a luz atinge as proteínas fotoativas, sua estrutura espacial é alterada e essa mudança estrutural determina o papel que uma proteína desempenha na natureza.”
Até agora, porém, era quase impossível rastrear a seqüência exata em que ocorrem as mudanças estruturais. Apenas os estados inicial e final de uma molécula antes e depois de uma reação podem ser determinados e interpretados em termos teóricos. “Mas não sabemos exatamente como a energia e a forma mudam entre os dois”, diz Santra. “É como ver que alguém cruzou as mãos, mas você não pode vê-los entrelaçando os dedos para fazer isso.”
Enquanto uma mão é grande o suficiente e o movimento é lento o suficiente para que possamos segui-la com nossos olhos, as coisas não são tão fáceis quando olhamos para as moléculas. O estado de energia de uma molécula pode ser determinado com grande precisão usando espectroscopia; e raios-X brilhantes, por exemplo de um laser de raios-X, podem ser usados para analisar a forma de uma molécula. O comprimento de onda extremamente curto dos raios X significa que eles podem resolver estruturas espaciais muito pequenas, como as posições dos átomos dentro de uma molécula. No entanto, o resultado não é uma imagem como uma fotografia, mas sim um padrão de interferência característico, que pode ser usado para deduzir a estrutura espacial que o criou.
Flashes de raio-x brilhantes e curtos
Como os movimentos são extremamente rápidos no nível molecular, os cientistas precisam usar pulsos de raios-X extremamente curtos para evitar que a imagem fique borrada. Foi somente com o advento dos lasers de raios-X que se tornou possível produzir pulsos de raios-X suficientemente brilhantes e curtos para capturar essas dinâmicas. No entanto, uma vez que a dinâmica molecular ocorre no reino da física quântica, onde as leis da física se desviam de nossa experiência cotidiana, as medições só podem ser interpretadas com a ajuda de uma análise física quântica.
Uma característica peculiar das proteínas fotoativas precisa ser levada em consideração: a luz incidente excita sua camada de elétrons para entrar em um estado quântico superior, e isso causa uma mudança inicial na forma da molécula. Essa mudança na forma pode, por sua vez, resultar na sobreposição dos estados quânticos animado e fundamental. No salto quântico resultante, o estado excitado reverte para o estado fundamental, por meio do qual a forma da molécula permanece inicialmente inalterada. A interseção cônica entre os estados quânticos, portanto, abre um caminho para uma nova estrutura espacial da proteína no estado fundamental da mecânica quântica.
A equipe liderada por Santra e Ourmazd agora conseguiu pela primeira vez desvendar a dinâmica estrutural de uma proteína fotoativa em tal interseção cônica. Eles fizeram isso valendo-se do aprendizado de máquina porque uma descrição completa da dinâmica exigiria, de fato, que todos os movimentos possíveis de todas as partículas envolvidas fossem considerados. Isso leva rapidamente a equações incontroláveis que não podem ser resolvidas.
6000 dimensões
“A proteína amarela fotoativa que estudamos consiste em cerca de 2.000 átomos”, explica Santra, que é cientista-chefe do DESY e professor de física na Universität Hamburg. “Como cada átomo é basicamente livre para se mover em todas as três dimensões espaciais, há um total de 6.000 opções de movimento. Isso leva a uma equação de mecânica quântica com 6.000 dimensões – que mesmo os computadores mais poderosos de hoje são incapazes de resolver.”
No entanto, análises computacionais baseadas em aprendizado de máquina foram capazes de identificar padrões no movimento coletivo dos átomos na molécula complexa. “É como quando uma mão se move: lá também não olhamos para cada átomo individualmente, mas para seu movimento coletivo”, explica Santra. Ao contrário de uma mão, em que as possibilidades de movimento coletivo são óbvias, essas opções não são tão fáceis de identificar nos átomos de uma molécula. No entanto, usando essa técnica, o computador foi capaz de reduzir as aproximadamente 6.000 dimensões para quatro. Ao demonstrar este novo método, a equipe de Santra também foi capaz de caracterizar uma interseção cônica de estados quânticos em uma molécula complexa composta de milhares de átomos pela primeira vez.
O cálculo detalhado mostra como essa interseção cônica se forma no espaço quadridimensional e como a proteína amarela fotoativa cai de volta ao seu estado inicial após ser excitada pela luz. Os cientistas agora podem descrever esse processo em etapas de algumas dezenas de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo) e, assim, avançar na compreensão dos processos fotoativos. “Como resultado, a física quântica está fornecendo novos insights sobre um sistema biológico e a biologia está fornecendo novas idéias para a metodologia da mecânica quântica”, diz Santra, que também é membro do Hamburg Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter. “Os dois campos estão se fertilizando mutuamente no processo.”
Publicado em 04/11/2021 10h01
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