Cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM)—die de visualisatie van virussen mogelijk maakt, eiwitten, en andere biologische structuren op moleculair niveau - is een cruciaal hulpmiddel dat wordt gebruikt om biochemische kennis te vergroten. Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) de impact van cryo-EM verder uitgebreid door een nieuw computationeel algoritme te ontwikkelen dat voor de eerste keer een hulpmiddel was bij het construeren van een 3D-model op atomaire schaal van bacteriofaag P22.

Meer dan 20, 000 tweedimensionale cryo-EM-beelden van bacteriofaag P22 (ook bekend als het P22-virus dat de gewone bacterie Salmonella infecteert) van het Baylor College of Medicine werden gebruikt om het model te maken. De resultaten zijn gepubliceerd door onderzoekers van het Baylor College of Medicine, Massachusetts Institute of Technology, Purdue University en Berkeley Lab in the Proceedings van de National Academies of Sciences eerder in maart.

"Dit is een geweldig voorbeeld van hoe je elektronenmicroscopietechnologie kunt benutten en combineren met nieuwe computationele methoden om de structuur van een bacteriofaag te bepalen, " zei Paul Adams, Molecular Biophysics &Integrated Bioimaging-divisiedirecteur van Berkeley Lab en co-auteur van het artikel. "We hebben de algoritmen - de computationele code - ontwikkeld om het atomaire model te optimaliseren zodat het het beste bij de experimentele gegevens past."

Pavel Afonine, een Berkeley Lab computationeel onderzoek wetenschapper en papier co-auteur, nam het voortouw bij de ontwikkeling van het algoritme met behulp van Phenix, een softwaresuite die traditioneel wordt gebruikt in röntgenkristallografie voor het bepalen van macromoleculaire structuren.

De succesvolle weergave van het 3-D atomaire schaalmodel van bacteriofaag P22 stelt onderzoekers in staat om met resolutie in de eiwitlagen van het virus te gluren. Het is de bekroning van een aantal jaren werk dat eerder de onderzoekers van Baylor College in staat had gesteld om het grootste deel van de ruggengraat van het eiwit op te sporen, maar niet de fijne details, volgens Corey Hryc, co-eerste auteur en een afgestudeerde student van Baylor biochemie professor Wah Chiu.

"Dankzij dit prachtige structurele detail, we hebben de eiwitchemie van het P22-virus bepaald, " zei Chiu. "Ik denk dat het belangrijk is dat we gedetailleerde annotaties met de structuur geven, zodat andere onderzoekers het kunnen gebruiken voor hun toekomstige experimenten, " voegde hij eraan toe. Het laboratorium van Chiu gebruikt al bijna 30 jaar cryo-EM en computerreconstructietechnieken om 3D-moleculaire structuren te bouwen.

En de bevindingen kunnen ook waardevolle biologische implicaties hebben.

Dankzij het 3D-model op atomaire schaal, het is nu "mogelijk om de interacties te zien tussen de stukken waaruit het P22-virus bestaat, die cruciaal zijn om het stabiel te maken, "Zei Adams. Dit helpt onderzoekers erachter te komen hoe ze chemicaliën kunnen maken die aan bepaalde eiwitten kunnen binden. Adams onderstreept dat het vermogen om de configuratie van atomen in de moleculaire ruimte te begrijpen, kan worden gebruikt om nieuwe inzichten te genereren in het ontwerp en de ontwikkeling van geneesmiddelen.