Nuova ricerca pubblicata su Metodi della natura migliorerà notevolmente il modo in cui gli scienziati "vedono all'interno" delle strutture molecolari in soluzione, consentendo modi molto più precisi per visualizzare i dati in vari campi, dall'astronomia alla scoperta di farmaci.

Il nuovo metodo consentirà la visualizzazione di molte più molecole biologiche, fornendo informazioni critiche su ciò che è all'interno delle molecole agli scienziati che attualmente possono accedere solo alla loro forma o involucro esterno. Tali informazioni potrebbero essere un importante impulso per gli studi sui virus, Per esempio.

"Con le tecniche esistenti, puoi vedere solo il contorno del virus, " ha detto l'autore Thomas D. Grant, dottorato di ricerca, professore assistente di ricerca presso il Dipartimento di Biologia Strutturale della Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences presso l'Università di Buffalo e il Dipartimento dei Materiali, Design e innovazione presso la UB School of Engineering and Applied Sciences e Hauptman-Woodward Medical Research Institute. "Questo nuovo metodo ci permette di vedere all'interno della molecola del virus per capire come sono organizzate le informazioni genetiche, potenzialmente dando nuove informazioni su come il virus inietta queste informazioni genetiche nel suo ospite".

Grant è l'unico autore del documento, una rarità tra gli articoli pubblicati su questa rivista. È uno scienziato con BioXFEL (Biologia con laser a elettroni liberi a raggi X), un Centro scientifico e tecnologico della National Science Foundation composto da otto università di ricerca statunitensi con sede presso UB. La sua missione è quella di affrontare questioni fondamentali in biologia a livello molecolare utilizzando tecniche all'avanguardia, compresa la scienza del laser a raggi X.

Risolvere il problema della fase

Il metodo di Grant ha risolto il problema della fase per una particolare tecnica di determinazione molecolare chiamata soluzione scattering. Il problema della fase è dove le informazioni critiche sulla fase di una molecola vengono perse durante il processo sperimentale di effettuare una misurazione fisica.

Ha spiegato che la maggior parte delle strutture molecolari oggi vengono risolte utilizzando la cristallografia a raggi X, dove le strutture diffondono intensi raggi X in schemi costituiti da centinaia di migliaia di informazioni uniche, che vengono utilizzati per rivelare infine la struttura ad alta risoluzione.

"Il problema è che oltre il 75% delle strutture molecolari non forma prontamente i cristalli ordinati che si diffrangono bene, " ha spiegato Grant. "Ciò significa che molte molecole sono difficili da visualizzare in tre dimensioni".

Inoltre, Egli ha detto, le molecole biologiche possono esibire movimenti dinamici che hanno un impatto su come funzionano ma quei movimenti mancano quando le strutture si cristallizzano, con conseguente perdita di importanti informazioni biologiche.

Un modo per aggirare questo ostacolo consiste nell'utilizzare una tecnica chiamata dispersione della soluzione in cui i raggi X si diffondono dalle molecole che galleggiano in soluzione invece che disposte in un cristallo.

"La dispersione della soluzione consente alle molecole di muoversi dinamicamente nei loro stati naturali, consentendo la visualizzazione di dinamiche conformazionali su larga scala importanti per la funzione biologica, " disse Grant. "Tuttavia, mentre le molecole cadono in soluzione, diffondono i raggi X in molti orientamenti diversi, perdere la maggior parte delle informazioni, in genere produce solo da 10 a 20 dati univoci." Fino ad ora, tali poche informazioni hanno prodotto solo contorni a bassa risoluzione della forma della particella.

Grant ha sviluppato un nuovo algoritmo che consente di ricostruire la densità elettronica tridimensionale di una molecola, simile a una ricostruzione 3-D del cervello prodotta da una TAC. Però, il suo algoritmo lo fa usando solo i dati unidimensionali degli esperimenti di dispersione della soluzione.

Come vedere i tratti del viso invece di una semplice silhouette

"Per la prima volta, questo ci consente di "vedere all'interno" di queste molecole galleggianti in soluzione per comprendere le variazioni di densità interna invece di vedere solo i bordi esterni o "l'involucro" della forma delle particelle, " Grant ha detto. "Come essere in grado di vedere tutte le caratteristiche del viso di una persona invece della sola silhouette del suo viso, queste informazioni aggiuntive consentiranno ai ricercatori di comprendere meglio le strutture molecolari in soluzione".

Ha sviluppato il nuovo metodo espandendo una tecnica matematica ben nota chiamata "recupero iterativo della fase". Questa è una tecnica computazionale che fornisce un modo per risolvere il problema della fase.

Grant ha spiegato:"Il problema della fase è simile all'avere una fotocamera che registra accuratamente tutte le intensità di ogni pixel, ma si arrampica dove sono quei pixel, basata su una complessa equazione matematica. Quindi ti rimane un'immagine inutile di pixel confusi".

Scienziati, Egli ha detto, in genere hanno lavorato per decodificare quell'equazione matematica modificando un po' l'immagine per assicurarsi che appaia approssimativamente come si aspettano. Per esempio, in una foto di paesaggio, i pixel blu che rappresentano il cielo dovrebbero essere naturalmente in alto.

Risolvere il problema della fase è come decodificare quell'equazione, Concessione ha continuato, ed essere in grado di posizionare tutti i pixel dove dovrebbero essere, ricostruire l'immagine originale.

"Però, questo processo cambia alcune delle intensità, quindi li correggi in base all'immagine criptata originale che hai, " ha detto. "Questo metodo scorre iterativamente attraverso questo processo, migliorando gradualmente le fasi ad ogni ciclo, recuperando infine le fasi finali, risolvendo il problema della fase e ricostruendo l'immagine desiderata."

metodo di Grant, chiamato "recupero iterativo del fattore di struttura, " consente agli scienziati di ricostruire non solo le fasi tridimensionali ma anche le intensità tridimensionali che si perdono negli esperimenti di dispersione della soluzione quando le molecole cadono casualmente nella soluzione.

"Questa è la prima dimostrazione della capacità di ricostruire oggetti tridimensionali da dati sperimentali unidimensionali e probabilmente avrà un grande impatto nei campi di imaging correlati, " Egli ha detto.