C'è un nuovo punto luminoso presso la sorgente luminosa a radiazione di sincrotrone di Stanford:Beam Line 12-1, una stazione sperimentale dedicata alla determinazione delle strutture di macromolecole biologiche con raggi X ad alta brillantezza. I ricercatori di tutto il paese lo stanno usando per esaminare la struttura atomica e la funzione di diversi componenti di SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19.

La nuova linea di luce presso il Laboratorio Nazionale dell'Acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia combina un extra luminoso, fascio di raggi X strettamente focalizzato con la robotica, automazione, accesso remoto completo e sistemi di elaborazione dati per espandere i tipi di macromolecole che i team di ricerca possono studiare e consentire loro di eseguire esperimenti più velocemente di prima e dai loro laboratori domestici.

Già nei primi mesi di attività, ricercatori della Stanford University, L'Istituto di ricerca Scripps, l'Università della California, San Francisco e il California Institute of Technology hanno utilizzato la nuova linea di luce per studiare proteine ​​ritenute fondamentali per l'infezione da SARS-CoV-2.

Tra i risultati ci sono nuovi indizi su come gli anticorpi bloccano l'infezione e su come i farmaci potrebbero modulare il sistema immunitario in modo che risponda con forza quando necessario, evitando reazioni eccessive che potrebbero causare più danni che benefici.

La nuova costruzione della linea di luce è stata finanziata dalla Stanford University, L'Istituto di ricerca Scripps, diverse fondazioni private attraverso la Stanford University tra cui la Gordon and Betty Moore Foundation, e l'Istituto Superiore di Sanità. In BL12-1, ha detto il professor Scripps Ian Wilson, SSRL dispone di una delle linee di raggi X "microfocus" più avanzate al mondo. "Potremo usare cristalli più piccoli, raccogliere dati di qualità superiore, ottenere un miglior rapporto segnale-rumore e raccogliere più set di dati all'ora" che mai, disse Wilson.

BL12-1 ha iniziato le operazioni degli utenti dopo l'inizio del rifugio sul posto per la pandemia di COVID-19, disse Aina Cohen, uno scienziato senior della SSRL che dirige le operazioni al BL12-1, e di conseguenza finora ha svolto ricerche quasi interamente relative al COVID, tra cui una serie di studi del gruppo di Wilson. Ma quando il rifugio sul posto inizia a sollevarsi, altri progetti inizieranno ad arrivare, lei disse, "e trarranno anche vantaggio dall'utilizzo delle funzionalità avanzate di BL12-1".

Alla grande con travi più piccole

Una delle caratteristiche chiave di BL12-1 è la sua dimensione del fascio molto piccola, con messa a fuoco verticale di 5 micron, e alta luminosità rispetto ad altre linee di luce dedicate alla biologia molecolare strutturale e alla cristallografia macromolecolare a raggi X. Il piccolo, raggio intenso sarà particolarmente utile quando si studiano molecole per le quali è difficile o richiede tempo far crescere cristalli di grandi dimensioni, in generale, è più facile estrarre informazioni utili quando la dimensione del raggio è alla pari con la dimensione del cristallo stesso.

Questa piccola dimensione del fascio si è già dimostrata molto importante per la ricerca sul COVID-19, disse Christopher Barnes, un borsista post-dottorato nel gruppo di Pamela Bjorkman al Caltech. Barnes sta studiando la struttura degli anticorpi SARS-CoV-2, incluso come e dove si legano al virus, e sta cercando di farlo il più velocemente possibile.

"A causa della velocità di questi progetti, non abbiamo reso i cristalli uniformi come facciamo di solito, "Barnes ha detto, quindi avevano bisogno di un raggio che potesse concentrarsi su piccoli, macchie più uniformi all'interno dei cristalli. "Questo è ottenibile solo con una linea di luce microfocus come BL12-1, " Egli ha detto.

Inoltre, BL12-1 presenta nuove, sistemi di raccolta dati più veloci, robotica che cambia a distanza campioni e configurazioni sperimentali più velocemente di prima, e la capacità di eseguire cristallografie seriali, in cui piccolissimi cristalli vengono sparati nel raggio uno dopo l'altro, dando ai ricercatori un quadro completo delle proteine ​​all'interno di quei cristalli senza la necessità di far crescere un singolo, uno più grande. Cosa c'è di più, tutto questo può essere svolto a distanza dai laboratori di casa degli utenti, un vantaggio importante in questo periodo di viaggi limitati e distanziamento sociale.

Velocità e flessibilità ai tempi del coronavirus

L'avvio della nuova linea di luce ha dovuto affrontare un ostacolo insolito:il lavoro su di esso si è in gran parte interrotto dopo l'entrata in vigore degli ordini di rifugio sul posto, e gran parte dei test finali non sono stati completati fino ad aprile. Anche allora, c'erano rigide restrizioni sul numero di personale che poteva venire in laboratorio per completare il lavoro sull'hardware della linea di luce e per testare i sistemi, quindi i primi esperimenti di messa in servizio - studi eseguiti in parte per risolvere eventuali intoppi nel sistema - erano correlati al nuovo coronavirus.

Un primo esperimento, guidato dal professor James Fraser dell'UCSF, ha utilizzato la capacità di BL12-1 di esaminare campioni non congelati ma a temperatura ambiente per studiare gli enzimi coinvolti nella replicazione virale più vicini alla temperatura corporea. Un altro, uno dei primi a funzionare su BL12-1, è stato uno studio, recentemente pubblicato in Scienza da Wilson e colleghi, delle strutture molecolari degli anticorpi che il sistema immunitario utilizza per bloccare SARS-CoV-2 dalle cellule infettanti.

"È fantastico che siamo stati in grado di utilizzare questa linea di luce mentre viene commissionata e di accelerare effettivamente i nostri progressi sul lavoro sul COVID-19, " disse Wilson.

La professoressa di Stanford Jennifer Cochran, lo studente laureato Jack Silberstein e lo scienziato SSRL Irimpan Mathews hanno adottato un approccio diverso. Stanno cercando farmaci in grado di modulare la risposta del sistema immunitario verso l'alto o verso il basso a seconda della fase della malattia in cui si trova un paziente:all'inizio, e giù se ci sono segni di una reazione immunitaria eccessiva. Conoscere le strutture sia dei farmaci che delle molecole del sistema immunitario su cui agiscono è essenziale per la ricerca, Silberstein ha detto:"Se non hai una struttura, stai volando alla cieca."

Mathews ha detto che BL12-1 è piccolo, il raggio ad alta intensità li ha aiutati a mirare a parti specifiche dei loro cristalli e a raccogliere diversi set di dati dagli stessi cristalli, velocizzando il loro lavoro. "Sono rimasto sorpreso da quanto fossero fluide le nostre misurazioni, " Egli ha detto.

Avvio quando ci si ripara sul posto

Avere un flusso costante di utenti come questi, Cohen ha detto, aiutato a risolvere eventuali nodi rimasti durante la fase di commissioning, soprattutto perché tanto lavoro doveva essere svolto a distanza.

"Solo uno o due membri del nostro team di ricerca erano ammessi sul posto alla volta e tutti i gruppi di utenti si sono collegati ai nostri sistemi in remoto per controllare i loro esperimenti, " ha detto. "Gran parte del lavoro di risoluzione dei problemi potrebbe essere svolto in remoto dai nostri programmatori e dagli scienziati di supporto. In altri casi, avremmo molte persone a casa che consigliano la persona sul posto, " e i membri del team di SSLL ruotavano dentro e fuori, alcuni turni di lavoro notturni e nei fine settimana per farlo funzionare mantenendo il distanziamento fisico. "Quella, combinato con i nostri sistemi sperimentali completamente automatizzati e telecomandati, ci ha dato molta flessibilità".

Il lavoro sul COVID continua, iniziando con più progetti di Scripps. Meng Yuan, un associato post-dottorato nel gruppo di Wilson, ha detto che stanno espandendo il loro lavoro iniziale per esaminare ulteriori coppie di anticorpi e proteine ​​virali. "Abbiamo un gran numero di cristalli da esaminare e abbiamo urgente bisogno di beamtime, " ha detto. "La buona capacità, risposta veloce, e flessibilità di Beam Line 12-1, insieme all'accesso remoto, hanno davvero aiutato la nostra ricerca."