Per lo sviluppo di nuovi agenti medicinali, una conoscenza accurata dei processi biologici nel corpo è un prerequisito. Qui le proteine ​​giocano un ruolo cruciale. Presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, il laser a raggi X a elettroni liberi SwissFEL ha ora, per la prima volta, diresse la sua forte luce sui cristalli proteici e ne rese visibili le strutture. Le speciali caratteristiche del laser a raggi X consentono esperimenti completamente nuovi in ​​cui gli scienziati possono osservare come le proteine ​​si muovono e cambiano forma. Il nuovo metodo, che in Svizzera è possibile solo al PSI, aiuterà nella futura scoperta di nuovi farmaci.

Meno di due anni dopo l'inizio delle operazioni del laser a raggi X a elettroni liberi SwissFEL, ricercatori del PSI, insieme alla società svizzera leadXpro, hanno completato con successo il loro primo esperimento utilizzandolo per studiare le molecole biologiche. Con ciò hanno raggiunto un'altra pietra miliare prima che questa nuova grande struttura di ricerca PSI diventi disponibile per esperimenti, all'inizio del 2019, a tutti gli utenti del mondo accademico e industriale. SwissFEL è una delle sole cinque strutture al mondo in cui i ricercatori possono studiare i processi biologici nelle proteine ​​o nei complessi proteici con luce laser a raggi X ad alta energia.

"Nel futuro, gli impulsi di luce a raggi X estremamente brevi di SwissFEL ci permetteranno qui a PSI di catturare non solo la struttura delle molecole, ma anche il loro movimento, "dice il fisico del PSI Karol Nass, che ha condotto l'esperimento. "Questo ci consentirà di osservare e comprendere molti processi biologici da una prospettiva completamente diversa".

Ciò apre nuove possibilità in particolare per la ricerca farmaceutica. Michael Hennig, CEO della società biotecnologica leadXpro, ne è convinto. L'azienda, con sede in Park innovaare al PSI, sta studiando la struttura di alcune proteine ​​che svolgono importanti funzioni nella membrana cellulare e sono quindi bersagli adatti per i farmaci. Ecco perché ha già, in questo primo esperimento biologico presso la nuova struttura SwissFEL, ha esaminato da vicino una proteina di membrana che svolge un ruolo importante nei tumori.

Illuminare l'ignoto

Le proteine ​​di membrana sono coinvolte in molti processi biologici nel corpo e quindi sono la chiave per nuove prospettive di trattamento; diversi premi Nobel sono già stati assegnati a ricercatori che li hanno studiati. Sono molecole proteiche saldamente integrate nella membrana cellulare e responsabili della comunicazione tra le cellule e l'ambiente circostante. Quando un agente medicinale attracca su di loro, Per esempio, cambiano forma e così facendo inviano un segnale all'interno della cellula. Ciò influenza il metabolismo cellulare e altre funzioni cellulari. Molti farmaci in uso oggi funzionano già tramite proteine ​​di membrana.

Però, non si sa molto in dettaglio su quali cambiamenti gli agenti innescano lì. "Sai quale agente è vincolante e quali effetti provoca, tuttavia i segnali vengono trasmessi attraverso cambiamenti strutturali della proteina. Cosa sono esattamente questi possiamo solo indovinare, " Hennig dice. "Con SwissFEL, vogliamo comprendere meglio queste dinamiche ultraveloci con cui i farmaci si accoppiano alle proteine ​​di membrana, così come i meccanismi associati." Con questa conoscenza, i ricercatori sperano, possono essere sviluppati nuovi e più mirati agenti contro le malattie, e gli effetti collaterali possono essere ridotti al minimo.

Strobo superlativo

Per rendere visibile la struttura delle proteine ​​complesse, i ricercatori fino ad ora hanno utilizzato un metodo in cui esaminano le proteine ​​con l'aiuto di una struttura che produce luce di sincrotrone, anch'essa al PSI. Per questo metodo, le proteine ​​sono preparate in modo che siano disponibili in forma cristallina, questo è, disposti in una struttura reticolare regolare. Quando la luce a raggi X di un sincrotrone li colpisce, questa luce viene dispersa nel reticolo cristallino e catturata da un rivelatore.

Il rilevatore fornisce quindi i dati a un computer per un'immagine tridimensionale della struttura della proteina. Questo principio di base viene applicato anche a SwissFEL. Rispetto ad un sincrotrone, anche se, SwissFEL invia lampi di raggi X con intensità miliardi di volte maggiore in intervalli molto brevi, fino a 100 flash al secondo. Questi distruggono i cristalli dopo ogni flash. Quindi fino a centinaia di migliaia di cristalli di una proteina devono essere portati successivamente nel raggio di raggi X. Ogni lampo che colpisce una proteina, poco prima di distruggerlo, produce un diagramma di dispersione al rivelatore. Questo viene analizzato da un software complesso in esecuzione su computer ad alte prestazioni e quindi calcolato in una struttura. Poiché gli impulsi sono inimmaginabilmente brevi, anche movimenti molecolari molto veloci possono essere resi visibili come al rallentatore.

Massima risoluzione grazie al rilevatore PSI

Il rivelatore Jungfrau-16M di SwissFEL è il rivelatore più nuovo e più grande al mondo per lo studio di biomolecole con un laser a raggi X. I ricercatori del PSI hanno trascorso più di cinque anni a sviluppare il rivelatore 16-M appositamente per questa applicazione. È stato completato nel giugno 2018. Poi ci sono voluti solo due mesi prima che fosse in grado di dimostrare con successo la sua capacità, con questo primo esperimento di biomolecole presso SwissFEL. "Questo rilevatore è qualcosa di speciale, " dice il fisico PSI Nass. "Ha prestazioni a basso rumore e una gamma dinamica molto elevata, e di conseguenza può registrare una larghezza di banda di intensità molto più ampia." È come una fotocamera in grado di elaborare differenze luce-buio molto grandi. Questa caratteristica è particolarmente importante per le misurazioni presso SwissFEL a causa della sua intensità luminosa estremamente elevata.

Oltre al rivelatore altamente sensibile, i ricercatori biologici di SwissFEL apprezzano la possibilità di analizzare cristalli molto più piccoli rispetto a un sincrotrone. Questo aspetto è interessante anche dal punto di vista economico, Hennig trova, poiché a seconda della proteina, trovare una procedura per far crescere i cristalli può richiedere molto tempo. "Per alcune proteine, fino ad ora, potevano essere prodotti solo piccoli cristalli. Ora possiamo studiarli a SwissFEL. Risparmiamo così un'enorme quantità di tempo che altrimenti sarebbe necessario per l'ottimizzazione del cristallo, così otteniamo i risultati più velocemente."

Per leadXpro, la collaborazione con il PSI, compreso l'accesso al grande centro di ricerca SwissFEL, è una situazione vantaggiosa per tutti in cui le aree di competenza si completano perfettamente a vicenda. Già in questo esperimento pilota, un ricercatore leadXpro ha cristallizzato le proteine ​​e le ha preparate per l'analisi in ordine, poi, per esaminarli insieme agli scienziati PSI di SwissFEL. Hennig aggiunge:"Con i nostri esperimenti, stiamo dimostrando che a SwissFEL, contemporaneamente alla ricerca fondamentale, è possibile fare ricerca farmaceutica applicata che andrà a beneficio dei pazienti." Un giorno, di conseguenza, dovrebbero essere scoperti agenti che portano a grandi miglioramenti nel trattamento delle malattie, influenzando piccoli movimenti nelle proteine.