Membrane protein structural dynamics
- Reference number
- SRL10-0036
- Start and end dates
- 120101-171231
- Amount granted
- 9 700 000 SEK
- Administrative organization
- Göteborg University
- Research area
- Life Sciences
Summary
My vision is to capture unique biological insights into structural changes occurring during energy and signal transduction by integral membrane proteins. To achieve this vision I will exploit synchrotron and free electron laser generated X-ray pulses and recorded time-resolved structural movies of membrane proteins in action. I will develop new X-ray based approaches to visualise how structural changes initiated by photo-isomerisation events are propagated and amplified in integral membrane signalling proteins that serve as the primary receptor of bacterial photo-taxis; I will capture structural changes essential for energy transduction by respiratory chain oxidases and photosynthetic reaction centres; and I will record snapshots of the most-rapid structural changes in biology a few femtoseconds following photo-activation of light driven integral membrane proteins. I have an internationally leading track-record of pioneering successes in this area of the life sciences including several successful intermediate-trapping studies of membrane proteins; the first successful time-resolved Laue diffraction study of an integral membrane protein; the first application of time-resolved wide-angle X-ray scattering to membrane proteins; and I am a pioneering user of X-ray free electron lasers for ultrafast protein nano-crystallography. I will break new ground in the use of short, intense X-ray pulses for the most challenging problems in structural biology.
Popular science description
Strukturbiologi är den del inom livets vetenskaper som syfter till att förstå strukturen hos cellens stora molekyler. Sådana molekyler (proteiner, DNA, RNA) veckas i specifika strukturer och det är dessa strukturer som ger t ex proteinerna förmågan att utföra kemiska reaktioner som är oumbärliga för alla levande organismer. Några häpnadsväckande biokemiska funktioner som kommer att studeras i aktuell tillämpning inkluderar (1) infångandet av ljusenergi samt dess omvandling till andra för livet viktiga energiformer; (2) omvandlingen av syre till vatten och den samtidiga kopplingen till nyttjandet av frigjord energi för att driva viktiga biologiska reaktioner samt (3) överföringen och amplifieringen av informationen i en enda ljuspartikel (foton) för att möjliggöra att en organism informeras om sin omgiving. Den mest framgångsrika metoden inom strukturbiologi är röntgendiffraktion, där mycket intensiva röntgenstrålar används i kombination med mycket små proteinkristaller, vilket ger forskaren information som illustrerar proteiners struktur. Den nya insikt som kommer från en ny röntgendiffraktionsstruktur av ett protein kan liknas vid den nya kunskap som erhålls om ett dinosaurieskelett genom att pussla ihop en hög osorterade dinosaurieben. Proteiner, å andra sidan, är i ständig strukturell förändring under den tid de verkar i en cell, på samma sätt som levande dinosaurier rörde sig när de gick, sprang, åt eller slogs. Alla känner till den genomslagskraft rörliga bilder har haft genom tiderna för att föra fram ny förståelse. Filmer har fångat publikens föreställningar under ett århundrade där populariseringar såsom Jurassic Park” och “Walking with Dinosaurs” har skildrat hur dinosaurierna for fram vilket revolutionerat publikens och forskarnas förståelse för fältet. Här vill jag använda senaste tekniken inom röntgenstrålning för att skapa högupplösande filmer av membranproteiners aktivitet i realtid. Mitt mål är att se hur membranproteinernas enskilda atomer förflyttar sig när proteinerna utför sina funktioner och från detta erhålla fundamentalt nya insikter i livsprocesser som till exempel energiöverföring och känselförnimmelser. Projektet bygger på unika tekniska möjligheter vilka formas inom mycket stora röntgenkällor i USA, Europa och Sverige. Verktygen som jag utvecklar kommer att användas brett både i akademin och i den farmaceutiska industrin och de kommer också ge andra möjlighet att få ny förståelse för de mest utmanande problemen i strukturbiologi.