SLACs nye røntgenstrålelinje hjælper COVID-19-forskning

Der er et nyt lyspunkt ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource:Beam Line 12-1, en eksperimentel station, der er bestemt til at bestemme strukturerne af biologiske makromolekyler med røntgenstråler med høj glans. Forskere fra hele landet bruger det til at undersøge atomstrukturen og funktionen af ​​forskellige komponenter i SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19.

Den nye beamline på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory kombinerer en ekstra lys, tæt fokuseret røntgenstråle med robotteknologi, automatisering, fuld fjernadgang og databehandlingssystemer for at udvide de typer makromolekyler, som forskningshold kan studere og give dem mulighed for at køre eksperimenter hurtigere end før og fra deres hjemmelaboratorier.

I løbet af de første par måneders drift, forskere fra Stanford University, Scripps Research Institute, University of California, San Francisco og California Institute of Technology har brugt den nye strålelinje til at studere proteiner, der menes at være centrale for SARS-CoV-2-infektion.

Blandt resultaterne er nye spor om, hvordan antistoffer blokerer infektion, og hvordan lægemidler kan modulere immunsystemet, så det reagerer stærkt, når det er nødvendigt, samtidig med at man undgår overreaktioner, der kan forårsage mere skade end gavn.

Den nye beamline konstruktion blev finansieret af Stanford University, Scripps Research Institute, flere private fonde gennem Stanford University, herunder Gordon og Betty Moore Foundation, og National Institutes of Health. I BL12-1, sagde Scripps professor Ian Wilson, SSRL har en af ​​de mest avancerede "mikrofokus" røntgenstrålelinjer i verden. "Vi vil være i stand til at bruge mindre krystaller, indsamle data af højere kvalitet, få et bedre signal-til-støj-forhold og indsamle flere datasæt i timen "end nogensinde før, sagde Wilson.

BL12-1 startede brugeroperationer efter COVID-19 pandemisk krisecenter på stedet begyndte, sagde Aina Cohen, en SSRL seniorforsker, der leder operationer på BL12-1, og som følge heraf har den næsten udelukkende foretaget COVID-relateret forskning, herunder en række undersøgelser fra Wilsons gruppe. Men da ly på stedet begynder at løfte sig, andre projekter begynder at komme ind, hun sagde, "og de vil også drage fordel af at bruge de avancerede funktioner i BL12-1."

Bliver stor med mindre bjælker

En af BL12-1s nøglefunktioner er dens meget lille strålestørrelse, med et 5 mikron lodret fokus, og høj lysstyrke i forhold til andre strålelinjer afsat til strukturel molekylærbiologi og røntgenmakromolekylær krystallografi. Den lille, intens stråle vil være særlig nyttig, når man studerer molekyler, for hvilke det er svært eller tidskrævende at dyrke store krystaller – generelt, det er nemmest at udtrække nyttig information, når strålestørrelsen er på niveau med størrelsen på selve krystallen.

Denne lille strålestørrelse har allerede vist sig meget vigtig for COVID-19-forskning, sagde Christopher Barnes, en postdoc i Pamela Bjorkmans gruppe på Caltech. Barnes studerer strukturen af ​​SARS-CoV-2 antistoffer, herunder hvordan og hvor de binder sig til virussen – og han forsøger at gøre det så hurtigt han kan.

"På grund af hastigheden af ​​disse projekter, vi lavede ikke krystallerne så ensartede, som vi plejer, Barnes sagde, så de havde brug for en stråle, der kan fokusere på mindre, mere jævne pletter i krystallerne. "Det kan kun opnås med en mikrofokusstråle som BL12-1, " han sagde.

Ud over, BL12-1 funktioner nye, hurtigere dataindsamlingssystemer, robotter, der fjernudskifter prøver og eksperimentelle opsætninger hurtigere end før, og evnen til at udføre seriel krystallografi, hvor meget små krystaller skydes ind i strålen efter hinanden, give forskerne et fuldstændigt billede af proteinerne i disse krystaller uden behov for at vokse en eneste, større en. Hvad mere er, alt dette kan udføres eksternt fra brugernes hjemmelaboratorier, en vigtig fordel i denne periode med begrænset rejser og social afstand.

Hastighed og fleksibilitet i coronatiden

Opstarten af ​​den nye bjælkelinje stod over for en usædvanlig forhindring:Arbejdet med den stoppede stort set, efter at ordrer på stedet blev trådt i kraft, og meget af den endelige test blev ikke afsluttet før i april. Selv da, der var snævre restriktioner på antallet af personale, der kunne komme til laboratoriet for at færdiggøre arbejdet med beamline hardware og for at teste systemer, så de første idriftsættelseseksperimenter - undersøgelser kører delvist for at finde ud af eventuelle knæk i systemet - var relateret til den nye coronavirus.

Et tidligt forsøg, ledet af UCSF professor James Fraser, brugte BL12-1's kapacitet til at undersøge prøver, der ikke er frosset, men ved stuetemperatur til at studere enzymer involveret i viral replikation tættere på kropstemperaturer. En anden-en af ​​de første, der kørte på BL12-1-var en undersøgelse, for nylig udgivet i Videnskab af Wilson og kolleger, af de molekylære strukturer af antistoffer, som immunsystemet bruger til at blokere SARS-CoV-2 fra at inficere celler.

"Det er fantastisk, at vi har været i stand til at bruge denne strålelinje, mens den er ved at blive sat i drift og faktisk fremskynde vores fremskridt med COVID-19-arbejdet, " sagde Wilson.

Stanford professor Jennifer Cochran, kandidatstuderende Jack Silberstein og SSRL-forsker Irimpan Mathews tog en anden tilgang. De leder efter lægemidler, der kan modulere immunsystemets respons op eller ned afhængigt af hvilken fase af sygdommen en patient er i - tidligt op, og ned, hvis der er tegn på en immunoverreaktion. At kende strukturen for både lægemidlerne og immunsystemmolekylerne, de virker på, er afgørende for søgningen, Silberstein sagde:"Hvis du ikke har en struktur, du flyver blind. "

Mathews sagde, at BL12-1 er lille, høj intensitetsstråle hjalp dem med at målrette bestemte dele af deres krystaller og indsamle forskellige datasæt fra de samme krystaller, fremskynde deres arbejde. "Jeg blev overrasket over, hvor glatte vores målinger var, " han sagde.

Opstart ved læ på plads

At have en konstant strøm af brugere som disse, Cohen sagde, hjalp med at finde ud af eventuelle resterende knæk under idriftsættelsesfasen, især da så meget arbejde skulle udføres på afstand.

"Kun et eller to medlemmer af vores forskerhold fik lov til at være på stedet ad gangen, og alle brugergrupperne var tilsluttet vores systemer eksternt for at kontrollere deres eksperimenter, " sagde hun. "Meget af fejlfindingsarbejdet kunne udføres eksternt af vores programmører og supportforskere. I andre tilfælde, vi ville have en masse mennesker derhjemme, der rådgav personen på stedet, " og SSRL-teammedlemmer roterede ind og ud, nogle arbejder nat- og weekendvagter for at få det til at fungere og samtidig bevare fysisk afstand. "At, kombineret med vores fuldautomatiske og fjernstyrede eksperimentelle systemer, gav os en masse fleksibilitet."

COVID -arbejdet fortsætter, starter med flere projekter fra Scripps. Meng Yuan, en postdoc associeret i Wilsons gruppe, sagde, at de udvider deres første arbejde med at se på yderligere par antistoffer og virale proteiner. "Vi har et stort antal krystaller, der skal screenes og presserende behov for stråletid, "sagde han." Den gode kapacitet, hurtigt svar, og fleksibilitet af Beam Line 12-1, sammen med fjernadgang, har virkelig hjulpet vores forskning."