All'interno dell'anello di accumulo di 844 metri di diametro dell'European Synchrotron Radiation Facility, gli elettroni che viaggiano quasi alla velocità della luce producono alcuni dei fasci di raggi X più luminosi al mondo. Questi raggi X possono rivelare la posizione e i movimenti degli atomi in tutti i tipi di materia. Sette delle 44 linee di luce della struttura sono dedicate alla ricerca sulla biologia strutturale e gestite sotto gli auspici di una partnership EMBL-ESRF nota come Joint Structural Biology Group (JSBG).

La cristallografia macromolecolare (MX) e le linee di luce a diffusione a piccolo angolo sono gestite da scienziati di entrambe le istituzioni, che usano la loro esperienza per aiutare i ricercatori dell'EMBL e gli scienziati in visita a ottenere dati strutturali. Le linee di luce JSBG sono una risorsa estremamente preziosa per la comunità internazionale di biologia strutturale.

Un'apertura tanto attesa

Più di un anno e mezzo fa, l'ESRF è stato chiuso per 20 mesi, durante questo periodo l'anello di sincrotrone è stato completamente ricostruito e aggiornato nel primo Extremely Brilliant Source (EBS) al mondo, un progetto da 150 milioni di euro che va dal 2017 al 2022. Poco dopo il completamento del nuovo anello nel gennaio 2020, I raggi X venivano regolarmente prodotti di nuovo.

"Era incredibile che una volta che il nuovo sincrotrone fosse operativo, abbiamo ripristinato la trave e la raccolta dati in funzione in tre giorni!" afferma Matthew Bowler, dal team McCarthy dell'EMBL Grenoble, e uno degli scienziati responsabili di una delle linee di luce JSBG.

Dopo un avvio positivo della messa in servizio, l'ESRF-EBS, e con esso le linee di luce, ha dovuto rimanere nuovamente chiuso a causa della pandemia di COVID-19. Durante gli ultimi mesi, l'accesso eccezionale è stato concesso solo a pochi utenti con progetti che hanno contribuito allo sforzo scientifico internazionale sulla ricerca sul COVID-19.

Con l'inaugurazione di oggi, le novità portate dal progetto EBS vengono finalmente svelate alla comunità scientifica. Oltre alla costruzione di un nuovo anello di stoccaggio, includono un programma di aggiornamento della strumentazione avanzata, e miglioramento di tutte le linee di luce di biologia strutturale del JSBG, in particolare un aggiornamento significativo di MASSIF-1.

Un livello superiore di scienza automatizzata

MASSIF-1 è una delle sette linee di luce gestite congiuntamente dall'ESRF e dall'EMBL Grenoble, ed è stata la prima linea di luce automatizzata al mondo. Matteo Bowler, e Didier Nurizzo dell'ESRF, spiegare i vantaggi della procedura:"La linea di luce funziona 24 ore al giorno. I ricercatori inviano i loro cristalli congelati per posta, e gli scienziati della linea di luce li caricano in un sistema di stoccaggio criogenico di grande capacità. I campioni vengono quindi analizzati dalla linea di luce in modo completamente automatico".

Questo processo coinvolge un robot che porta il cristallo dal magazzino al raggio, poi algoritmi complessi localizzano il campione e decidono il protocollo sperimentale ottimale. Una volta avviata l'analisi, gli utenti ricevono una mail e possono vedere i propri dati raccolti da remoto e in tempo reale.

"L'automazione è fantastica, " conclude Bowler. "Farà lo stesso lavoro per ogni campione, che siano le quattro del pomeriggio o del mattino».

Durante quest'anno sono stati implementati diversi importanti aggiornamenti su MASSIF-1. Per esempio, è stato appena installato un microdiffrattometro sviluppato dall'EMBL, uno strumento in grado di posizionare e ruotare un cristallo nel raggio di raggi X con una precisione di un millesimo di millimetro. In una fase successiva l'ottica che focalizza i raggi X sul cristallo sarà adattata al nuovo fascio prodotto dall'EBS, che è 100 volte più luminoso del raggio precedente.

Uno degli aggiornamenti più importanti per la linea di luce sarà l'introduzione del robot FlexHCD. Questo robot è stato sviluppato congiuntamente dal Team Ciprani, Il team di strumentazione dell'EMBL Grenoble, e la Divisione Servizi di Strumentazione e Sviluppo dell'ESRF e i gruppi di Biologia Strutturale. Questo nuovo dispositivo di gestione dei cristalli congelati aumenterà notevolmente la velocità di raccolta dei dati. "Al momento, sono necessari fino a sei minuti per campione, " spiega Nurizzo. "L'upgrade raddoppierà o triplicherà la velocità di elaborazione".

Nuove opportunità sperimentali

Prima che i cristalli possano essere analizzati alle linee di luce JSBG, devono essere generati in un impianto di cristallizzazione attraverso un accurato e talvolta noioso processo di screening e ottimizzazione, che in genere richiede molte volte più tempo degli esperimenti di diffrazione stessi.

Un altro importante upgrade riguarda il robot CrystalDirect, che è stato sviluppato nel 2012 dal Team Cipriani e dal Team Marquez all'EMBL Grenoble. Questa tecnologia consente la completa automazione del montaggio dei cristalli e del crio-raffreddamento, facilitare il trasferimento dei campioni tra l'impianto di cristallizzazione e il sincrotrone.

Nella sua nuova forma, MASSIF-1 sarà gestito in coordinamento con l'EMBL HTX Lab, che porterà un nuovo livello di efficienza, in particolare nelle campagne intensive di screening dei frammenti per la scoperta di farmaci. Inoltre, nel 2021, uno dei robot CrystalDirect dell'HTX Lab sarà integrato nell'ambiente della linea di luce MASSIF-1. Questo sarà un importante passo avanti e consentirà la consegna di campioni direttamente dalla piastra di cristallizzazione nel fascio di raggi X. Tutti questi sviluppi manterranno EMBL ed ESRF all'avanguardia delle innovazioni nella tecnologia della linea di luce MX nel mondo a beneficio della biologia strutturale.