Per studiare la rapidità della biologia, la chimica delle proteine ​​dietro ogni funzione vitale, gli scienziati hanno bisogno di vedere le molecole che cambiano e interagiscono con incrementi di tempo inimmaginabilmente rapidi, trilionesimi di secondo o meno.

L'attrezzatura di imaging con quel tipo di velocità è stata finalmente testata l'anno scorso al laser a elettroni liberi a raggi X europeo, o EuXFEL. Ora, un team di fisici dell'Università del Wisconsin-Milwaukee ha completato il primo film molecolare della struttura, o "mappatura, "del movimento ultraveloce delle proteine.

Con questa capacità, gli scienziati possono osservare come le proteine ​​svolgono correttamente il loro lavoro o come il loro cambiamento di forma va storto, causando malattie.

"La creazione di mappe del funzionamento fisico di una proteina apre la porta a rispondere a domande biologiche molto più grandi, " disse Marius Schmidt, un professore di fisica UWM che ha progettato l'esperimento. "Si potrebbe dire che EuXFEL può ora essere considerato uno strumento che aiuta a salvare vite".

Le loro scoperte segnano una nuova era della ricerca sulle proteine ​​che consente di osservare in tempo reale gli enzimi coinvolti nella malattia per durate significative con una chiarezza senza precedenti. Il documento è pubblicato online oggi sulla rivista Metodi della natura .

L'EuXFEL produce raggi X intensi in impulsi estremamente brevi a una velocità di megahertz:un milione di impulsi al secondo. I raggi sono diretti a cristalli contenenti proteine, in un metodo chiamato cristallografia a raggi X. Quando un cristallo viene colpito dall'impulso a raggi X, diffrange il raggio, dispersione secondo un certo schema che rivela dove si trovano gli atomi e produce una "istantanea".

Gli impulsi a raggi X a fuoco rapido producono istantanee 2-D di ciascun modello da centinaia di migliaia di angoli in cui il raggio atterra sul cristallo. Questi sono ricostruiti matematicamente in immagini 3D in movimento che mostrano i cambiamenti nella disposizione degli atomi nel tempo.

L'XFEL europeo, che ha aperto lo scorso anno, ha portato questa mappatura atomica a un nuovo livello. Lampi estremamente potenti contengono impulsi di raggi X a un quadrilionesimo di secondo, in "burst" che si verificano a intervalli di 100 millisecondi.

L'esperimento di Schmidt iniziò con un lampo blu, luce visibile che ha indotto una reazione chimica all'interno del cristallo proteico, seguita immediatamente da un'esplosione di raggi X intensi a impulsi di megahertz che producono le "istantanee".

È un esperimento che ha messo in scena per la prima volta nel 2014 presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti in California. Là, lui ei suoi studenti sono stati in grado di documentare i cambiamenti atomici nei loro campioni di proteine ​​per la prima volta in un XFEL.

Successivamente, nel 2016, sono stati in grado di mappare il riarrangiamento degli atomi nell'intervallo di tempo che le proteine ​​impiegano per cambiare forma:quadrilionesimi di secondo (femtosecondi) fino a 3 trilionesimi di secondo (picosecondi). In un picosecondo, che è un trilionesimo di secondo, la luce percorre la lunghezza del periodo alla fine di questa frase.

La precedente cristallografia risolta nel tempo sulla loro proteina fotoreattiva era già stata completata utilizzando altre sorgenti di raggi X in grado di visualizzare scale temporali maggiori di 100 picosecondi, lasciando un vuoto di tempo inesplorato tra 3 e 100 picosecondi che gli scienziati sono stati in grado di colmare utilizzando EuXFEL.

L'eccezionale luminosità del laser e la frequenza degli impulsi dei raggi X a megahertz hanno permesso loro di raccogliere dati molto più velocemente e con una maggiore risoluzione e su intervalli di tempo più lunghi.

Schmidt descrive EuXFEL come "una macchina di superlativi". Il più grande XFEL al mondo, è lungo 3 chilometri, che copre la distanza tra gli stati federali tedeschi di Amburgo e Schleswig-Holstein. La tecnologia superconduttiva viene utilizzata per accelerare gli elettroni ad alta energia, che genera i raggi X.

Schmidt, un biofisico che ha partecipato a più di 30 progetti di imaging XFEL fino ad oggi, ha offerto un assaggio del potenziale medico della cristallografia avanzata con l'XFEL:utilizzando questo metodo, ha assistito a come più proteine ​​lavorano insieme, come gli enzimi responsabili della resistenza agli antibiotici disabilitano un farmaco e come le proteine ​​cambiano la loro forma per assorbire la luce e consentire la vista.

Il dottorando Suraj Pandey, che è venuto a UWM dal suo nativo Nepal, è il primo autore sulla carta. Ora ha un'esperienza con la tecnologia che poche persone al mondo possono vantare, almeno per ora. Ha detto che non era sicuro di cosa aspettarsi entrando nell'esperimento.

Il ruolo di Pandey era quello di analizzare i dati e calcolare le mappe del cambiamento strutturale. Dei milioni di impulsi a raggi X forniti dagli XFEL, la maggioranza non colpisce affatto un obiettivo. Infatti, solo dall'1% al 2% diffrange da un cristallo proteico, mentre i restanti impulsi producono "rumore" che deve essere rimosso dai dati.

La squadra aveva anche altre preoccupazioni, Egli ha detto. Ci sono voluti mesi a Pandey per far crescere la proteina necessaria per produrre i cristalli dell'esperimento, ma durante il loro trasporto in Germania, i 5 grammi di proteine ​​congelate sono stati trattenuti in dogana per diversi giorni, durante la quale una parte si è sciolta.

Dopo il primo giorno di imaging, ha elaborato i dati e ha potuto identificare per la prima volta un segnale forte nella mappa risultante. "Questa è stata una svolta, " ha detto. "Ma il segnale non corrispondeva al cambiamento previsto dai precedenti esperimenti. Pensavo che l'esperimento fosse fallito".

Anziché, lui e gli operatori EuXFEL hanno imparato la prima lezione:gli impulsi ottici che avviano la reazione devono essere esattamente sincronizzati con gli impulsi a raggi X megahertz. Altrimenti, la reazione proteica si svolge in assegnazioni di tempo sconosciute. E dovevano essere sicuri che il campione fosse eccitato solo una volta, che si è rivelato piuttosto complicato con le pulsazioni dei megahertz.

Il successo finale dell'esperimento diede a Pandey un'enorme soddisfazione.

"È una tecnologia unica, " ha detto dell'EuXFEL. "Siamo stati pionieri nell'uso dell'XFEL europeo nel vedere i filmati sul funzionamento delle proteine. Sto solo volando".