ricercatori del Berkeley Lab, in collaborazione con scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory e del Max Planck Institute, hanno dimostrato che la diffusione dei raggi X per fluttuazione è in grado di catturare il comportamento dei sistemi biologici con dettagli senza precedenti.

Sebbene questa tecnica sia stata proposta per la prima volta più di quattro decenni fa, la sua implementazione è stata ostacolata dalla mancanza di sorgenti di raggi X sufficientemente potenti e della tecnologia di rilevamento associata, metodi di consegna del campione, e i mezzi per analizzare i dati. Il team ha sviluppato un nuovo framework matematico e di analisi dei dati che è stato applicato ai dati ottenuti dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) del DOE presso SLAC. Questa svolta è stata recentemente segnalata nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Comprendere come funzionano le proteine ​​a livello atomico consente agli scienziati di progettare nuove funzionalità, come la produzione efficiente di biocarburanti, o progettare farmaci per bloccare del tutto la funzione di una proteina. A tal fine, metodi di imaging molecolare tridimensionale come la cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica forniscono approfondimenti strutturali critici ad alta risoluzione. Però, questi metodi non sono adatti per catturare la dinamica delle proteine ​​nel loro ambiente naturale. Perciò, gli scienziati spesso integrano i modelli derivati ​​da campioni cristallini o congelati criogenicamente con i dati di una tecnica chiamata dispersione di soluzioni a raggi X che consente loro di studiare le proteine ​​a temperatura ambiente, in condizioni fisiologicamente rilevanti.

Tuttavia, la diffusione della soluzione standard ha i suoi limiti:nel tempo necessario per registrare un modello di diffusione della soluzione a raggi X, le molecole proteiche ruotano e si muovono molto rapidamente.

"Ciò si traduce in quella che è essenzialmente un'enorme quantità di motion blur nei dati registrati da cui è possibile dedurre in modo affidabile solo pochi dettagli, " ha spiegato Peter Zwart, uno scienziato del personale nella divisione di biofisica molecolare e bioimmagini integrate (MBIB) e membro del Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) presso il Berkeley Lab.

Evitare l'effetto mosso

Per superare questi problemi, Zwart e altri ricercatori CAMERA, tra cui Kanupriya Pande (MBIB) e Jeffrey Donatelli (Divisione di ricerca computazionale), hanno trascorso gli ultimi anni a sviluppare un nuovo approccio basato sull'analisi delle correlazioni angolari di intensi, impulsi di raggi X ultracorti diffusi da macromolecole in soluzione. Questi impulsi ultracorti evitano l'effetto mosso e generano un numero significativamente maggiore di informazioni, cedendo meglio, modelli tridimensionali più dettagliati.

"Uno dei vantaggi della dispersione delle fluttuazioni è che non dobbiamo lavorare su una particella alla volta, ma può usare dati di dispersione da molte particelle contemporaneamente, " ha detto Pande. Ciò consente un design sperimentale molto più efficiente, richiedendo solo pochi minuti di tempo del fascio invece di diverse ore o giorni normalmente associati ai metodi di diffusione di raggi X a singola particella.

Una serie di nuovi matematici e algoritmi sviluppati da CAMERA sono stati fondamentali per il successo dell'esperimento. "La teoria alla base della dispersione delle fluttuazioni è molto complessa e i dati dell'esperimento sono molto più complicati rispetto alla dispersione della soluzione tradizionale. Per farlo funzionare, avevamo bisogno di nuovi metodi per elaborare e analizzare accuratamente i dati, " ha detto Donatelli. Questi includevano una sofisticata tecnica di filtraggio del rumore, che ha aumentato il rapporto segnale-rumore dei dati di diversi ordini di grandezza.

"Cinque anni fa, la dispersione delle fluttuazioni era essenzialmente solo un'idea chiara, senza alcuna indicazione se fosse praticamente fattibile o se da tali dati si potesse ricavare qualche informazione strutturale, " disse Zwart. Da allora, il team ha sviluppato strumenti matematici per determinare la struttura da questi dati e ha dimostrato i propri algoritmi su dati sperimentali idealizzati da una singola particella per colpo.

Nell'ultimo lavoro, Zwart e i suoi colleghi hanno collaborato con i ricercatori del Max Planck Institute per dimostrare la fattibilità pratica di questi esperimenti in condizioni più realistiche. Gli autori hanno studiato il virus PBCV-1 e sono stati in grado di ottenere un livello di dettaglio molto maggiore rispetto alla dispersione della soluzione standard.

"La speranza è che questa tecnica alla fine consentirà agli scienziati di visualizzare i dettagli delle dinamiche strutturali che potrebbero essere inaccessibili con i metodi tradizionali, " ha detto Zwart. I piani degli autori per l'immediato futuro sono di estendere questo metodo a studi risolti nel tempo su come le proteine ​​cambiano la loro forma e conformazione quando svolgono la loro funzione biologica.