Nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuurmethoden zal drastisch verbeteren hoe wetenschappers moleculaire structuren in oplossing "binnenkijken", waardoor veel preciezere manieren mogelijk zijn om gegevens in verschillende velden af ​​​​te beelden, van astronomie tot ontdekking van medicijnen.

De nieuwe methode zal de visualisatie van veel meer biologische moleculen mogelijk maken, het verstrekken van kritische informatie over wat er in moleculen zit aan wetenschappers die momenteel alleen toegang hebben tot hun uiterlijke vorm of envelop. Dergelijke informatie zou een belangrijke stimulans kunnen zijn voor studies naar virussen, bijvoorbeeld.

"Met bestaande technieken je kunt alleen de omtrek van het virus zien, " zei auteur Thomas D. Grant, doctoraat, onderzoeksassistent-professor bij de afdeling structurele biologie van de Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences aan de universiteit van Buffalo en de afdeling Materialen, Ontwerp en innovatie in de UB School of Engineering and Applied Sciences en Hauptman-Woodward Medical Research Institute. "Deze nieuwe methode stelt ons in staat om in het virusmolecuul te kijken om te begrijpen hoe de genetische informatie is gerangschikt, mogelijk nieuw inzicht geven in hoe het virus deze genetische informatie in zijn gastheer injecteert."

Grant is de enige auteur van het artikel, een zeldzaamheid onder de artikelen die in dit tijdschrift zijn gepubliceerd. Hij is een wetenschapper bij BioXFEL (Biologie met X-ray Free Electron Lasers), een National Science Foundation Science and Technology Center bestaande uit acht Amerikaanse onderzoeksuniversiteiten met het hoofdkantoor in UB. Haar missie is om fundamentele vragen in de biologie op moleculair niveau aan te pakken met behulp van geavanceerde technieken, inclusief röntgenlaserwetenschap.

Het faseprobleem oplossen

De methode van Grant heeft het faseprobleem opgelost voor een bepaalde moleculaire bepalingstechniek die oplossingsverstrooiing wordt genoemd. Het faseprobleem is waar kritische informatie over de fase van een molecuul verloren gaat tijdens het experimentele proces van het maken van een fysieke meting.

Hij legde uit dat de meeste moleculaire structuren tegenwoordig worden opgelost met behulp van röntgenkristallografie, waar de structuren intense röntgenstralen verstrooien in patronen die bestaan ​​uit honderdduizenden unieke stukjes informatie, die worden gebruikt om uiteindelijk de structuur in hoge resolutie te onthullen.

"Het probleem is dat meer dan 75 procent van de moleculaire structuren niet gemakkelijk de geordende kristallen vormen die goed buigen, " legde Grant uit. "Dat betekent dat veel moleculen moeilijk in drie dimensies te visualiseren zijn."

In aanvulling, hij zei, biologische moleculen kunnen dynamische bewegingen vertonen die van invloed zijn op hoe ze functioneren, maar die bewegingen ontbreken wanneer structuren kristalliseren, waardoor belangrijke biologische informatie verloren gaat.

Een manier om dit obstakel te omzeilen is om een ​​techniek te gebruiken die oplossingsverstrooiing wordt genoemd, waarbij röntgenstralen worden verstrooid van moleculen die in oplossing drijven in plaats van gerangschikt in een kristal.

"Oplossingsverstrooiing zorgt ervoor dat de moleculen dynamisch kunnen bewegen in hun natuurlijke toestand, het mogelijk maken van de visualisatie van grootschalige conformationele dynamiek die belangrijk is voor de biologische functie, "zei Grant. "Echter, terwijl de moleculen in oplossing tuimelen, ze verstrooien de röntgenstralen in veel verschillende richtingen, de meeste informatie verliezen, doorgaans slechts 10 tot 20 unieke stukjes data opleveren." Tot nu toe, zulke weinig informatie leverde alleen contouren van de deeltjesvorm met een lage resolutie op.

Grant heeft een nieuw algoritme ontwikkeld waarmee de driedimensionale elektronendichtheid van een molecuul kan worden gereconstrueerd. vergelijkbaar met een 3D-reconstructie van de hersenen geproduceerd door een CT-scan. Echter, zijn algoritme doet dit met alleen de eendimensionale gegevens van experimenten met oplossingsverstrooiing.

Zoals het zien van gelaatstrekken in plaats van alleen een silhouet

"Voor de eerste keer, dit stelt ons in staat om deze moleculen 'binnenin' te zien die in oplossing drijven om de interne dichtheidsvariaties te begrijpen in plaats van alleen de buitenranden of 'envelop' van de deeltjesvorm te zien, "Zei Grant. "Alsof je alle gelaatstrekken van een persoon kunt zien in plaats van alleen het silhouet van hun gezicht, deze toegevoegde informatie zal onderzoekers in staat stellen moleculaire structuren in oplossing beter te begrijpen."

Hij ontwikkelde de nieuwe methode door voort te bouwen op een bekende wiskundige techniek die 'iterative phase retrieval' wordt genoemd. Dit is een computationele techniek die een manier biedt om het faseprobleem op te lossen.

Grant legde uit:"Het faseprobleem is vergelijkbaar met het hebben van een camera die nauwkeurig alle intensiteiten van elke pixel registreert, maar klautert waar die pixels zijn, gebaseerd op een complexe wiskundige vergelijking. Dus je blijft zitten met een nutteloos beeld van vervormde pixels."

wetenschappers, hij zei, hebben meestal gewerkt om die wiskundige vergelijking te decoderen door de afbeelding een klein beetje te veranderen om er zeker van te zijn dat deze er ongeveer uitziet zoals ze verwachten. Bijvoorbeeld, op een landschapsfoto, de blauwe pixels die de lucht weergeven moeten natuurlijk bovenaan staan.

Het faseprobleem oplossen is als het decoderen van die vergelijking, Grant vervolgde, en in staat zijn om alle pixels te plaatsen waar ze horen te zijn, het reconstrueren van het oorspronkelijke beeld.

"Echter, dit proces verandert enkele van de intensiteiten, dus je corrigeert ze op basis van de originele vervormde afbeelding die je hebt, " zei hij. "Deze methode doorloopt dit proces iteratief, het geleidelijk verbeteren van de fasen met elke cyclus, uiteindelijk het ophalen van de laatste fasen, het faseprobleem oplossen en het gewenste beeld reconstrueren."

Grants methode, genaamd "iteratieve structuurfactor ophalen, " stelt wetenschappers in staat om niet alleen de driedimensionale fasen te reconstrueren, maar ook de driedimensionale intensiteiten die verloren gaan bij verstrooiingsexperimenten in oplossing wanneer de moleculen willekeurig in oplossing tuimelen.

"Dit is de eerste demonstratie van het vermogen om driedimensionale objecten te reconstrueren uit eendimensionale experimentele gegevens en het zal waarschijnlijk een grote impact hebben op gerelateerde beeldvormingsvelden, " hij zei.