Un team internazionale di scienziati guidati da Kartik Ayyer dell'MPSD ha ottenuto alcune delle immagini 3D più nitide possibili di nanoparticelle d'oro. I risultati gettano le basi per ottenere immagini ad alta risoluzione delle macromolecole. Lo studio è stato condotto presso l'European XFEL's Single Particles, Cluster, e Biomolecules &Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) e i risultati sono stati pubblicati in ottica .

Carboidrati, lipidi, le proteine ​​e gli acidi nucleici sono micromolecole che popolano le cellule e sono vitali per la vita. La chiave per capire come funzionano queste macromolecole sta nella comprensione della loro struttura. Utilizzando nanoparticelle d'oro come sostituto delle biomolecole, il team ha misurato 10 milioni di modelli di diffrazione e li ha usati per generare immagini 3D con una risoluzione da record. Le particelle d'oro diffondono molti più raggi X rispetto ai campioni biologici e quindi costituiscono buoni campioni di prova. Forniscono molti più dati che li rendono estremamente utili per i metodi di messa a punto che possono quindi essere utilizzati sulle biomolecole.

"Le tecniche utilizzate per ottenere immagini ad alta risoluzione di biomolecole includono la cristallografia a raggi X, che richiede la cristallizzazione delle biomolecole, " dice Kartik Ayyer, il leader del gruppo Computational Nanoscale Imaging presso l'MPSD. "Questo non è un processo facile. In alternativa, la microscopia crioelettronica funziona con molecole congelate, " aggiunge. Tuttavia, l'avvento dei laser a elettroni liberi a raggi X ha aperto le porte all'imaging a particelle singole (SPI), una tecnica che ha il potenziale per fornire immagini ad alta risoluzione di biomolecole a temperatura ambiente e senza cristallizzazione. Quindi le biomolecole possono essere studiate più vicino al loro stato nativo. Questo a sua volta fornisce una migliore comprensione della loro struttura e funzione nei nostri corpi.

Ma nell'SPI rimanevano due ostacoli:raccogliere modelli di diffrazione sufficienti di alta qualità e classificare correttamente la variabilità strutturale delle biomolecole. Il lavoro del team mostra che entrambe queste barriere possono essere superate, afferma Kartik Ayyer:"I precedenti esperimenti SPI hanno prodotto solo circa decine di migliaia di modelli di diffrazione, anche negli scenari migliori. Però, per ottenere risoluzioni rilevanti per la biologia strutturale, i ricercatori hanno bisogno di modelli di diffrazione da 10 a 100 volte superiori." spiega Ayyer. "Grazie alle capacità uniche della struttura europea XFEL, vale a dire, l'elevato numero di impulsi laser a raggi X al secondo e l'elevata energia degli impulsi, il team è stato in grado di raccogliere 10 milioni di modelli di diffrazione in un singolo esperimento di 5 giorni. Questa quantità di dati non ha precedenti e crediamo che il nostro esperimento servirà da modello per il futuro di questo campo di ricerca, " lui dice.

Per superare il problema della variabilità strutturale delle biomolecole, questo è, trattare con un'istantanea di ogni particella leggermente diversa l'una dall'altra, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo speciale. I modelli di diffrazione vengono raccolti da un rilevatore bidimensionale, molto simile a una telecamera a raggi X veloce. Un algoritmo quindi ordina i dati e consente ai ricercatori di ricostruire l'immagine della biomolecola. "Abbiamo utilizzato le capacità dell'Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), che ci ha permesso di catturare i modelli a quella velocità elevata. Abbiamo quindi raccolto e analizzato i dati con algoritmi personalizzati per ottenere immagini con risoluzioni da record, "dice Ayer.

"Questo studio ha davvero sfruttato la proprietà unica dell'alto tasso di riempimento della nostra struttura, il rivelatore a inquadratura rapida e l'efficace consegna del campione, "dice Adriano Mancuso, scienziato leader del gruppo SPB/SFX. "Dimostra che in futuro, L'XFEL europeo è ben posizionato per esplorare i limiti della "visione" per non cristallizzati, biomolecole a temperatura ambiente."