SwissFEL gør proteinstrukturer synlige

Til udvikling af nye lægemidler, præcis viden om biologiske processer i kroppen er en forudsætning. Her spiller proteiner en afgørende rolle. På Paul Scherrer Institute PSI, røntgenfri-elektronlaseren SwissFEL har nu, for første gang, rettede sit stærke lys mod proteinkrystaller og gjorde deres strukturer synlige. Røntgenlaserens særlige egenskaber muliggør helt nye eksperimenter, hvor forskere kan se, hvordan proteiner bevæger sig og ændrer deres form. Den nye metode, som i Schweiz kun er muligt hos PSI, vil hjælpe med den fremtidige opdagelse af nye lægemidler.

Mindre end to år efter at røntgenfrielektronlaseren SwissFEL startede sin operation, PSI forskere, sammen med det schweiziske selskab leadXpro, har med succes gennemført deres første eksperiment med det til at studere biologiske molekyler. Med det har de opnået endnu en milepæl, før denne nye PSI store forskningsfacilitet bliver tilgængelig for eksperimenter, i begyndelsen af ​​2019, til alle brugere fra den akademiske verden og industrien. SwissFEL er et af kun fem faciliteter på verdensplan, hvor forskere kan undersøge biologiske processer i proteiner eller proteinkomplekser med højenergi røntgenlaserlys.

"I fremtiden, de ekstremt korte røntgenlysimpulser fra SwissFEL vil give os her på PSI mulighed for at fange ikke kun strukturen af ​​molekyler, men også deres bevægelse, " siger PSI-fysiker Karol Nass, der ledede forsøget. "Det vil gøre os i stand til at observere og forstå mange biologiske processer fra et helt andet perspektiv."

Dette åbner nye muligheder for især farmaceutisk forskning. Michael Hennig, CEO for biotekvirksomheden leadXpro, er overbevist om det. Virksomheden, med hovedkontor i Park innovaare ved PSI, undersøger strukturen af ​​visse proteiner, der påtager sig vigtige funktioner i cellemembranen og derfor er egnede mål for lægemidler. Derfor har han allerede i dette første biologiske eksperiment på det nye SwissFEL-anlæg, nøje undersøgt et membranprotein, der spiller en vigtig rolle i kræftsygdomme.

skinner et lys ind i det ukendte

Membranproteiner er involveret i mange biologiske processer i kroppen og er således nøglen til nye behandlingsmuligheder; flere Nobelpriser er allerede blevet uddelt til forskere, der har studeret dem. De er proteinmolekyler, der er fast integreret i cellemembranen og er ansvarlige for kommunikationen mellem celler og deres omgivelser. Når et lægemiddel lægger sig fast på dem, for eksempel, de ændrer deres form og sender derved et signal ind i cellens indre. Det påvirker cellemetabolismen og andre cellulære funktioner. Mange lægemidler, der bruges i dag, virker allerede via membranproteiner.

Imidlertid, ikke meget vides i detaljer om, hvilke ændringer midlerne udløser dér. "Du ved, hvilket middel der er bindende, og hvilke virkninger det forårsager, alligevel transmitteres signalerne gennem strukturelle ændringer af proteinet. Hvad er disse præcist, vi kan kun gætte, " siger Hennig. "Med SwissFEL, vi ønsker bedre at forstå denne ultrahurtige dynamik, som lægemidler kobler til membranproteiner med, såvel som de tilhørende mekanismer." Med denne viden, håber forskerne, nye og mere målrettede midler mod sygdomme kan udvikles, og bivirkninger kan minimeres.

Superlativ strobe

For at synliggøre strukturen af ​​komplekse proteiner, Forskere har hidtil brugt en metode, hvor de ser på proteiner ved hjælp af et anlæg, der producerer synkrotronlys – også hos PSI. For denne metode, proteiner fremstilles, så de er tilgængelige i krystallinsk form, det er, arrangeret i en regulær gitterstruktur. Når røntgenlyset fra en synkrotron rammer dem, dette lys spredes ved krystalgitteret og fanges af en detektor.

Detektoren leverer derefter dataene til en computer til et tredimensionelt billede af proteinstrukturen. Dette grundlæggende princip anvendes også hos SwissFEL. Sammenlignet med en synkrotron, selvom, SwissFEL sender røntgenglimt med milliard gange højere intensitet i meget korte intervaller, op til 100 blink i sekundet. Disse ødelægger krystallerne efter hvert blink. Derfor skal så mange som hundredtusindvis af krystaller af et protein successivt bringes ind i røntgenstrålen. Hver flash, der rammer et protein, lige før de ødelægger det, producerer et punktdiagram ved detektoren. Dette analyseres af kompleks software, der kører på højtydende computere og beregnes derefter til en struktur. Da pulserne er ufatteligt korte, selv meget hurtige molekylære bevægelser kan gøres synlige som i slowmotion.

Højeste opløsning takket være PSI-detektor

Jungfrau-16M detektoren hos SwissFEL er den nyeste og største detektor i verden til undersøgelse af biomolekyler med røntgenlaser. Forskere ved PSI brugte mere end fem år på at udvikle 16-M detektoren specifikt til denne applikation. Det stod færdigt i juni 2018. Derefter tog det kun to måneder, før det med succes kunne demonstrere sin formåen – med dette første biomolekyleeksperiment hos SwissFEL. "Denne detektor er noget særligt, " siger PSI-fysiker Nass. "Den har en lav støjydelse og et meget højt dynamisk område, og som et resultat kan det optage en meget større båndbredde af intensiteter." Dette er som et kamera, der kan behandle meget store lys-mørke forskelle. Denne egenskab er især vigtig for målinger hos SwissFEL på grund af dets ekstremt høje lysintensitet.

Udover den meget følsomme detektor, biologiske forskere ved SwissFEL værdsætter muligheden for at analysere meget mindre krystaller end ved en synkrotron. Dette aspekt er også interessant fra et økonomisk perspektiv, Hennig finder, da afhængigt af proteinet, at finde en procedure til at dyrke krystaller fra det kan være ekstremt tidskrævende. "For nogle proteiner, indtil nu, kun små krystaller kunne fremstilles. Nu kan vi studere disse på SwissFEL. Således sparer vi enormt meget tid, som ellers ville være nødvendig for optimering af krystallen, så vi får resultaterne hurtigere."

For leadXpro, samarbejdet med PSI, herunder adgang til det store forskningsanlæg SwissFEL, er en win-win situation, hvor ekspertiseområderne perfekt supplerer hinanden. Allerede i dette piloteksperiment, en leadXpro-forsker krystalliserede proteinerne og forberedte dem til analyse i rækkefølge, derefter, at undersøge dem i fællesskab med PSI-forskere ved SwissFEL. Hennig tilføjer:"Med vores eksperimenter, vi viser, at hos SwissFEL, samtidig med grundforskning, det er muligt at lave anvendt farmaceutisk forskning, som vil gavne patienterne." En dag, som resultat, midler bør opdages, der fører til store forbedringer i behandlingen af ​​sygdomme – ved at påvirke bittesmå bevægelser i proteinerne.