Ny røntgenbilledteknik giver nanoskala indsigt i biologiske molekylers adfærd

Berkeley Lab forskere, i samarbejde med forskere fra SLAC National Accelerator Laboratory og Max Planck Institute, har vist, at udsving i røntgenstråling er i stand til at fange biologiske systemers adfærd i enestående detaljer.

Selvom denne teknik først blev foreslået for mere end fire årtier siden, dens implementering blev hindret af manglen på tilstrækkeligt kraftige røntgenkilder og tilhørende detektorteknologi, prøveleveringsmetoder, og midlerne til at analysere dataene. Teamet udviklede en ny matematisk og dataanalyseramme, der blev anvendt på data hentet fra DOE's Linac Coherent Light Source (LCLS) på SLAC. Dette gennembrud blev for nylig rapporteret i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

At forstå, hvordan proteiner fungerer på atomniveau, gør det muligt for forskere at konstruere ny funktionalitet, såsom effektiv produktion af biobrændstoffer, eller at designe lægemidler til helt at blokere et proteins funktion. Til denne ende, tredimensionelle molekylære billeddannelsesmetoder såsom røntgenkrystallografi og kryo-elektronmikroskopi giver kritisk strukturel indsigt i høj opløsning. Imidlertid, disse metoder er ikke velegnede til at fange proteindynamikken i deres naturlige miljø. Derfor, forskere supplerer ofte modeller, der stammer fra krystallinske eller kryogenisk frosne prøver med data fra en teknik kaldet røntgenopløsningsspredning, der giver dem mulighed for at studere proteiner ved stuetemperatur, under fysiologisk relevante forhold.

Standard løsningsspredning har dog sine begrænsninger:På den tid det tager at registrere et røntgenopløsnings-spredningsmønster, proteinmolekylerne snurrer og bevæger sig meget hurtigt.

"Dette resulterer i, hvad der i det væsentlige er en massiv mængde bevægelsesuskarphed i de registrerede data, hvorfra kun få detaljer kan udledes pålideligt, "forklarede Peter Zwart, en personaleforsker i Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division og medlem af Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) på Berkeley Lab.

Undgå bevægelsessløring

For at overvinde disse problemer, Zwart og andre CAMERA -forskere, herunder Kanupriya Pande (MBIB) og Jeffrey Donatelli (Computational Research Division), har brugt de sidste mange år på at udvikle en ny tilgang baseret på analyse af vinkelkorrelationer mellem intense, ultrakorte røntgenpulser spredt fra makromolekyler i opløsning. Disse ultrakorte pulser undgår bevægelsessløring og resulterer i betydeligt mere information, giver bedre, mere detaljerede tredimensionelle modeller.

"En af fordelene ved fluktuationsspredning er, at vi ikke behøver at arbejde på en partikel ad gangen, men kan bruge spredningsdata fra mange partikler på én gang, "sagde Pande. Dette giver mulighed for et meget mere effektivt eksperimentelt design, kun brug for et par minutters stråletid i stedet for flere timer eller dage, der normalt er forbundet med røntgenstrålingsmetoder til enkeltpartikler.

En række nye matematikker og algoritmer udviklet af CAMERA var afgørende for succesen med eksperimentet. "Teorien bag fluktuationsspredning er meget kompleks, og dataene fra eksperimentet er meget mere komplicerede end traditionel løsningsspredning. For at få dette til at fungere, vi havde brug for nye metoder til præcist at behandle og analysere dataene, "sagde Donatelli. Disse omfattede en sofistikeret støjfiltreringsteknik, hvilket øgede signal-støj-forholdet mellem dataene med flere størrelsesordener.

"Fem år siden, fluktuationsspredning var i det væsentlige bare en pæn idé, uden angivelse af, om det var praktisk muligt, eller om man kunne udlede strukturelle oplysninger fra sådanne data, "sagde Zwart. Siden da, teamet har udviklet matematiske værktøjer til at bestemme strukturen ud fra disse data og demonstreret deres algoritmer på idealiserede eksperimentelle data fra en enkelt partikel pr. skud.

I det seneste arbejde, Zwart og hans kolleger gik sammen med forskere fra Max Planck Institute for at demonstrere den praktiske gennemførlighed af disse eksperimenter under mere realistiske forhold. Forfatterne studerede virussen PBCV-1 og var i stand til at opnå et langt større detaljeringsniveau sammenlignet med standard løsningsspredning.

"Håbet er, at denne teknik i sidste ende vil give forskere mulighed for at visualisere detaljer om strukturel dynamik, der kan være utilgængelig gennem traditionelle metoder, "sagde Zwart. Forfatternes planer for den nærmeste fremtid er at udvide denne metode til tidsopløste undersøgelser af, hvordan proteiner ændrer deres form og konformationer, når de udfører deres biologiske funktion.