Un team di scienziati e ingegneri del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha sviluppato un nuovo strumento scientifico che consente la caratterizzazione ultra precisa e ad alta velocità dei cristalli proteici presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)— un DOE Office of Science User Facility a Brookhaven, che genera raggi X ad alta energia che possono essere sfruttati per sondare i cristalli proteici. Chiamato goniometro FastForward MX, questo strumento avanzato aumenterà significativamente l'efficienza della cristallografia proteica riducendo il tempo di esecuzione degli esperimenti da ore a minuti.

La cristallografia proteica è una tecnica di ricerca essenziale che utilizza la diffrazione dei raggi X per scoprire le strutture 3-D delle proteine ​​e di altre molecole biologiche complesse, e comprendere la loro funzione all'interno delle nostre cellule. Usando questa conoscenza sulla struttura di base della vita, gli scienziati possono far progredire la progettazione di farmaci, migliorare le cure mediche, e svelare altri processi ambientali e biochimici che regolano la nostra vita quotidiana.

Perché questa tecnica funzioni, le proteine ​​devono essere cristallizzate e le proteine ​​più difficili spesso crescono solo in minuscoli microcristalli. Per ricostruire queste complesse strutture proteiche, gli scienziati devono misurare i dati di diffrazione dei raggi X da migliaia di microcristalli e unire i dati raccolti, una tecnica chiamata cristallografia seriale. Queste misurazioni attualmente richiedono ore per essere completate con strumenti di ricerca altamente specializzati e avanzati a linee di luce di cristallografia macromolecolare di sincrotrone. Le linee di luce della cristallografia macromolecolare possono essere trovate in quasi tutti gli impianti di radiazione di sincrotrone del mondo e utilizzano i raggi X intensi delle sorgenti luminose per caratterizzare la struttura atomica delle proteine.

"Utilizzando il nostro nuovo goniometro FastForward MX ad altissima velocità e precisione, siamo in grado di raccogliere dati di cristallografia seriale così velocemente che ora è possibile acquisire set di dati completi in pochi minuti, " ha detto Martin Fuchs, lo scienziato capo della linea di luce di cristallografia macromolecolare (FMX) di Frontier Microfocusing presso NSLS-II. "Il nostro nuovo goniometro sfrutta appieno le eccezionali proprietà del fascio di NSLS-II, e quindi dei raggi X luminosi leader a livello mondiale disponibili presso la nostra linea di luce."

Il team ha sviluppato il nuovo goniometro appositamente per il micrometro della linea di luce FMX, fascio di raggi X intenso. FMX ora offre ai ricercatori una capacità unica di misurare i dati di diffrazione dei raggi X da cristalli incredibilmente piccoli a velocità molto più elevate rispetto a qualsiasi altra sorgente di luce di sincrotrone.

"La piccola dimensione del raggio insieme alla nostra nuova tecnica di scansione rapida ci dà la capacità di determinare la struttura delle molecole biologiche da minuscoli cristalli proteici che in precedenza non sarebbero stati abbastanza grandi per raccogliere dati da, " disse Fuchs.

Il goniometro può posizionare cristalli proteici con una precisione di 25 nanometri (4, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano) e assicura che il minuscolo raggio di raggi X possa illuminare con precisione i microcristalli per le misurazioni di diffrazione.

"Per raggiungere questa precisione e velocità avevamo bisogno di superare molte sfide tecnologiche. Ad esempio, avevamo bisogno di sviluppare un modo per spostare il cristallo in questi passaggi estremamente piccoli e, allo stesso tempo, misurare questi piccoli movimenti, " disse Evgeny Nazaretski, un fisico e specialista in strumentazione per microscopia a raggi X presso NSLS-II. "Abbiamo dovuto combinare le competenze di diversi campi come la microscopia a raggi X e la biologia strutturale per consentire questo tipo di sviluppo".

Il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Brookhaven ha finanziato il processo di progettazione e costruzione di due anni, compresi tutti i passaggi dalla progettazione concettuale e caratterizzazione del laboratorio all'integrazione del sistema nell'ambiente sperimentale presso la linea di luce FMX. Yuan Gao, un ricercatore associato in questo progetto, ha testato a fondo il goniometro nel corso dello sviluppo per verificarne la stabilità e le prestazioni ottimali e ha dimostrato velocità di scansione fino a 100 Hertz e velocità di acquisizione dati di 750 fotogrammi/secondo. Un singolo esperimento di cristallografia seriale può richiedere centinaia di migliaia di fotogrammi di data.

Per dimostrare le prestazioni del goniometro di nuova concezione, il team lo ha utilizzato per caratterizzare le strutture di due proteine ​​ben note, tripsina bovina e proteinasi K, e hanno confrontato le loro nuove ricostruzioni con le conoscenze esistenti su queste due strutture proteiche.

"Abbiamo misurato queste due proteine ​​note utilizzando il goniometro FastForward presso FMX e sviluppato un flusso di lavoro di elaborazione dei dati che analizzava automaticamente i dati mentre li raccoglievamo, " disse Wuxian Shi, uno scienziato alla linea di luce FMX. "Con questo, siamo stati in grado di risolvere le strutture e mostrare che i dati hanno fornito strutture ad alta risoluzione e di alta qualità, anche alle velocità di raccolta più elevate."

Come passo successivo, il team sta lavorando per consentire lo scambio di campioni robotici durante gli esperimenti per aumentare ulteriormente il rendimento della linea di luce FMX. Questo sistema sarà quindi reso disponibile ai gruppi di utenti generali della linea di luce, e aprire un percorso per la determinazione della struttura da cristalli più piccoli che mai.