Kvantificering af strålingsskader i SAXS-eksperimenter

Biologisk småvinklet røntgenspredning (SAXS) er en eksperimentel teknik, der giver strukturel information i lav opløsning om makromolekyler. Teknikkens stigning i popularitet er et resultat af nylige forbedringer i både software og hardware, giver mulighed for dataindsamling og analyse med høj kapacitet, afspejles i det stigende antal dedikerede SAXS-strålelinjer såsom BM29 ved ESRF, P12 hos EMBL Hamburg og B21 hos Diamond Light Source.

Imidlertid, som for de fleste andre makromolekylære strukturelle teknikker, strålingsskader er stadig en væsentlig faktor, der hindrer eksperimenternes succes. Den høje opløsningsmiddelandel i biologiske SAXS-prøver betyder, at hydroxyl, hydroperoxylradikaler og hydrerede elektroner produceres i overflod ved radiolyse af vand, når det bestråles med røntgenstråler. Disse radikaler kan derefter interagere med proteinmolekylerne, i sidste ende fører til proteinaggregering, fragmentering eller udfoldelse. Desuden, molekylær frastødning på grund af proteinopladning kan også mindske spredningen ved lave vinkler.

Almindelige metoder, der bruges til at reducere strålingsskader på biologiske SAXS-prøver, er generelt beskæftiget med at begrænse røntgeneksponeringen til en given prøvevolumen. På en analog måde, kryokølingsprøver ned til 100 K for SAXS (cryoSAXS) er blevet rapporteret at øge dosistolerancen af ​​SAXS-prøver med mindst to størrelsesordener.

Anvendelser af ovennævnte metoder til begrænsning af strålingsskader er ikke i stand til fuldstændigt at omgå de skadelige virkninger, især ændringen af ​​spredningsprofilen gennem hele forsøget. Det er nødvendigt at bestemme, om to spredningsprofiler er ens, så støj kan reduceres ved at tage et gennemsnit over lignende kurver.

For at eksperimenter fra forskellige forskere skal være indbyrdes sammenlignelige, progressionen af ​​strålingsskader spores mest hensigtsmæssigt som en funktion af den dosis, der absorberes af prøven. RADDOSE-3D er et gratis og open source softwareprogram, der bruges til at beregne den tids- og rumopløste tredimensionelle fordeling af dosis absorberet af en proteinkrystal i et makromolekylært krystallografieksperiment; imidlertid, der er ingen tilsvarende software tilgængelig til SAXS. Strålingsskadestudier i SAXS kræver således i øjeblikket, at forsøgslederne indstiller eksperimentet korrekt og manuelt beregner et enkelt estimat af dosis i prøven.

I et papir udgivet af Brooks-Bartlett et al. [(2017), J. Synchrotron. Rad. 24, doi:101107/S1600577516015083], udvidelser til RADDOSE-3D præsenteres, som muliggør bekvem beregning af doser til SAXS-eksperimenter, reducere byrden ved manuelt at udføre beregningen. Derudover forfatterne har lavet en visualiseringspakke til at vurdere ligheden mellem SAXS-rammer og brugt disse værktøjer til at vurdere effektiviteten af ​​forskellige strålebeskyttende forbindelser til at øge strålingstolerancen af ​​glucose-isomeraseproteinprøven.