Proteinbilleddannelse med livets hastighed

For at studere biologiens hurtighed - proteinkemien bag enhver livsfunktion - skal forskere se molekyler ændre sig og interagere i ufatteligt hurtige tidssteg - billioner af et sekund eller kortere.

Billedudstyr med den slags hastighed blev endelig testet sidste år på den europæiske røntgenfri-elektronlaser, eller EuXFEL. Nu, et team af fysikere fra University of Wisconsin-Milwaukee har afsluttet anlæggets første molekylære film, eller "kortlægning, "af ultrahurtig bevægelse af proteiner.

Med denne evne, forskere kan se, hvordan proteiner udfører deres job ordentligt-eller hvordan deres formændring går galt, forårsager sygdom.

"Oprettelse af kort over et proteins fysiske funktion åbner døren for at besvare meget større biologiske spørgsmål, "sagde Marius Schmidt, en UWM -professor i fysik, der designede eksperimentet. "Man kan sige, at EuXFEL nu kan ses som et værktøj, der hjælper med at redde liv."

Deres fund markerer en ny tidsalder for proteinforskning, der gør det muligt at observere enzymer, der er involveret i sygdomme, i realtid i meningsfuld varighed i enestående klarhed. Avisen offentliggøres online i dag i tidsskriftet Naturmetoder .

EuXFEL producerer intense røntgenstråler i ekstremt korte pulser med en megahertz-hastighed-en million pulser i sekundet. Strålerne er rettet mod krystaller indeholdende proteiner, i en metode kaldet røntgenkrystallografi. Når en krystal rammes af røntgenpulsen, det afbøjer strålen, spredning i et bestemt mønster, der afslører, hvor atomerne er og producerer et "øjebliksbillede".

Røntgenpulserne med hurtig brand producerer 2-D snapshots af hvert mønster fra hundredtusindvis af vinkler, hvor strålen lander på krystallen. Disse er matematisk rekonstrueret til bevægelige 3-D-billeder, der viser ændringer i atoms arrangement over tid.

Den europæiske XFEL, som åbnede sidste år, har taget denne atomkortlægning til et nyt niveau. Ekstremt kraftige bursts indeholder røntgenpulser på en kvadrilliondel af et sekund, i "bursts", der forekommer med 100 millisekunders intervaller.

Schmidts eksperiment begyndte med et glimt af blåt, synligt lys, der inducerede en kemisk reaktion inde i proteinkrystallet, umiddelbart efterfulgt af et burst af intense røntgenstråler i megahertz-pulser, der producerer "snapshots".

Det er et eksperiment, han første gang iscenesatte i 2014 på U.S. Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory i Californien. Der, han og hans elever var i stand til at dokumentere atomændringer i deres proteinprøver for første gang på en XFEL.

Efterfølgende, i 2016, de var i stand til at kortlægge omlægningen af ​​atomer i det tidsrum, proteiner tager for at ændre deres former - kvadrilliondeler af et sekund (femtosekunder) op til 3 billioner sekunder (picosekunder). På et picosekund, som er en billionion af et sekund, lys bevæger sig længden af ​​perioden i slutningen af ​​denne sætning.

Tidligere tidsopløst krystallografi på deres fotoreaktive protein var allerede blevet afsluttet ved hjælp af andre røntgenkilder, der er i stand til at afbilde tidsskalaer større end 100 picosekunder, efterlader et hul på ukendt tid mellem 3 og 100 picosekunder, som forskerne var i stand til at udfylde ved hjælp af EuXFEL.

Laserens usædvanlige lysstyrke og megahertz røntgenpulsfrekvensen tillod dem at indsamle data meget hurtigere og med større opløsning og over længere tidsrammer.

Schmidt beskriver EuXFEL som "en maskine med superlativer." Den største XFEL i verden, den er 3 kilometer lang, spænder over afstanden mellem de tyske forbundsstater Hamburg og Slesvig-Holsten. Superledende teknologi bruges til at accelerere elektroner med høj energi, som genererer røntgenstrålerne.

Schmidt, en biofysiker, der har deltaget i mere end 30 XFEL -billeddannelsesprojekter til dato, tilbudt en forsmag på det medicinske potentiale ved forbedret krystallografi med XFEL:Ved hjælp af denne metode, han har været vidne til, hvordan flere proteiner arbejder sammen, hvordan enzymer, der er ansvarlige for antibiotikaresistens, deaktiverer et lægemiddel, og hvordan proteiner ændrer deres form for at absorbere lys og muliggøre syn.

Doktorand Suraj Pandey, der kom til UWM fra sit hjemland Nepal, er første forfatter på papiret. Han har nu erfaring med teknologi, som få mennesker i verden kan hævde, i hvert fald for nu. Han sagde, at han ikke var sikker på, hvad han kunne forvente at gå ind i forsøget.

Pandeys rolle var at analysere dataene og beregne kortene over strukturelle ændringer. Af de millioner af røntgenpulser, som XFEL'er leverer, flertallet rammer slet ikke et mål. Faktisk, kun 1% til 2% diffrakterer fra en proteinkrystal, mens de resterende impulser producerer "støj", der skal fjernes fra dataene.

Holdet havde også andre bekymringer, han sagde. Det tog måneder for Pandey at dyrke det protein, der kræves for at producere eksperimentets krystaller, men under deres transport til Tyskland, de 5 gram frosset protein blev tilbageholdt i tolden i flere dage, under hvilken noget af det smeltede.

Efter den første billeddag, han behandlede dataene og kunne for første gang identificere et stærkt signal i det resulterende kort. "Dette var et gennembrud, "sagde han." Men signalet svarede ikke til den ændring, der var forudsagt fra tidligere forsøg. Jeg troede, at forsøget var mislykket. "

I stedet, han og EuXFEL-operatører lærte deres første lektion:Optiske pulser, der starter reaktionen, skal nøjagtigt synkroniseres med megahertz røntgenpulser. Ellers, proteinreaktionen udspiller sig i ukendte tidsfordelinger. Og de skulle være sikre på, at prøven kun var ophidset én gang, hvilket viste sig at være ret vanskeligt med megahertz -pulsfrekvenser.

Eksperimentets ultimative succes gav Pandey en enorm tilfredshed.

"Det er en enestående teknologi, "sagde han om EuXFEL." Vi var banebrydende for brugen af ​​europæisk XFEL til at se film om, hvordan proteiner fungerer. Jeg flyver bare. "