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.

Figurtext: Lysozym-molekyler ordnade i kristallen. De röda spiralstrukturerna får elektrondensitetsförändringar när proteinkristallen exponeras för terahertzvågor.

För ytterligare information, kontakta:

• Gergely Katona, institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet, 031-786 3959, gergely.katona@gu.se

• Jan Stake, professor vid Chalmers tekniska högskola, 031-772 18 36, jan.stake@chalmers.se

Structural Dynamics är en vetenskaplig tidskrift om forskningsmetoder och tekniker.

Läs den vetenskapliga artikeln Terahertz radiation induces non-thermal structural changes associated with Fröhlich condensation in a protein crystal

Mer om Chalmers terahertzlaboratorium
Terahertzlaboratoriet är ett nytt, unikt labb för utveckling av teknologin inom det svåråtkomliga frekvensområdet terahertz, alltså frekvenser i storleksordningen en biljon svängningar per sekund. En ny generation av instrument möjliggör mätningar vid frekvenser upp till och över en terahertz. Utrustningen är avpassad för flera olika forskningsområden: material, komponenter, kretsar, system, och antenner för höga frekvenser.

Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.