Een internationaal team van wetenschappers heeft röntgenpulsen met hoge intensiteit gebruikt om de structuur van de kristallijne eiwitomhulling van een insectenvirus te bepalen. Hun analyse onthult de fijne details van de bouwstenen waaruit de virale cocon bestaat tot op een schaal van 0,2 nanometer (miljoensten van een millimeter) - een resolutie op atoomschaal. De minuscule virussen met hun kristallen omhulsel zijn verreweg de kleinste eiwitkristallen die ooit zijn geanalyseerd met behulp van röntgenkristallografie. Dit opent nieuwe mogelijkheden in de studie van eiwitstructuren, zoals het team onder leiding van DESY's vooraanstaande wetenschapper Henry Chapman van het Center for Free-Electron Laser Science rapporteert in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Het granulovirus valt bepaalde insecten aan en doodt ze. Hierdoor blijft het aanvankelijk achter in de rottende gastheer, dus het moet zichzelf beschermen, misschien al jaren, tegen ongunstige omgevingsomstandigheden zoals hitte, ultraviolette straling en droogte, totdat het opnieuw wordt ingenomen door een insect. Om dit te behalen, het virus wikkelt zich in een cocon gemaakt van eiwitkristallen, die pas weer oplossen als het de darm van een insect bereikt, " legt Cornelius Gati van DESY uit, de hoofdauteur van het artikel. Deze virussen zijn een bijzondere interesse van Peter Metcalf van de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland en Johannes Jehle van het Julius Kühn Instituut in Darmstadt, die voor dit onderzoek samenwerkten met DESY. De onderzoekers onderzochten de cocon van de Cydia pomonella granulovirus (CpGV), die de rupsen van de fruitmot infecteert ( Cydia pomonella ) en wordt in de landbouw gebruikt als biologisch bestrijdingsmiddel. Het virus is ongevaarlijk voor de mens.

Wetenschappers zijn geïnteresseerd in de ruimtelijke structuur van eiwitten en andere biomoleculen omdat dit licht werpt op de precieze manier waarop ze werken. Dit heeft geleid tot een gespecialiseerde wetenschap die bekend staat als structurele biologie. "In de afgelopen 50 jaar wetenschappers hebben de structuren bepaald van meer dan 100, 000 eiwitten, " zegt Chapman, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de universiteit van Hamburg. "Verreweg het belangrijkste hulpmiddel hiervoor is röntgenkristallografie." Bij deze methode, een kristal van het onderzochte eiwit wordt gekweekt en bestraald met heldere röntgenstralen. Dit levert een karakteristiek diffractiepatroon op, waaruit de ruimtelijke structuur van het kristal en zijn bouwstenen kan worden berekend.

"Een van de grote uitdagingen van deze procedure is, echter, de kristallen laten groeien, " voegt Chapman eraan toe. Veel eiwitten stemmen niet gemakkelijk op elkaar af om kristallen te vormen, omdat dat niet hun natuurlijke staat is. Hoe kleiner de kristallen die voor de analyse kunnen worden gebruikt, hoe gemakkelijker het is om ze te laten groeien, maar hoe moeilijker het is om ze te meten. "We hopen dat we in de toekomst helemaal kunnen afzien van groeiende kristallen en individuele moleculen rechtstreeks kunnen bestuderen met behulp van röntgenstralen, " zegt Chapman, "dus we willen graag de grenzen begrijpen".

"Deze virusdeeltjes voorzagen ons van de kleinste eiwitkristallen die ooit zijn gebruikt voor analyse van de röntgenstructuur, " legt Gati uit. Het occlusielichaam (de virus"cocon") heeft een volume van ongeveer 0,01 kubieke micrometer, ongeveer honderd keer kleiner dan de kleinste kunstmatig gekweekte eiwitkristallen die tot nu toe zijn geanalyseerd met kristallografische technieken.

Om deze limiet in kristalgrootte te doorbreken, een extreem heldere röntgenstraal nodig was, die werd verkregen met behulp van een zogenaamde vrije-elektronenlaser (FEL), waarin een bundel hogesnelheidselektronen door een magnetische undulator wordt geleid, waardoor ze laserachtige röntgenpulsen uitzenden.

De wetenschappers gebruikten de vrije-elektronenlaser LCLS in het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS, en gebruikte optica om elke röntgenpuls te focussen tot een vergelijkbare grootte als een van de virusdeeltjes. "Door de volledige kracht van de FEL op één klein virus te richten, werd het blootgesteld aan de enorme stralingsniveaus, " meldt Gati, die nu bij SLAC werkt. De dosis was 1,3 miljard Grijzen; ter vergelijking:de dodelijke dosis voor mensen is ongeveer 50 Grijzen.

De FEL-dosis was zeker ook dodelijk voor de virussen - elk werd volledig verdampt door een enkele röntgenstraal. Maar de femtoseconde puls draagt ​​de informatie van de ongerepte structuur naar de detector en de vernietiging van het virus vindt pas plaats na het passeren van de puls. De analyse van de geregistreerde diffractie toonde aan dat zelfs minuscule eiwitkristallen die worden gebombardeerd met extreem hoge stralingsdoses nog steeds hun structuur op atomaire schaal kunnen onthullen.

"Simulaties op basis van onze metingen suggereren dat onze methode waarschijnlijk kan worden gebruikt om de structuur te bepalen van nog kleinere kristallen die uit slechts honderden of duizenden moleculen bestaan, " meldt Chapman, die ook lid is van het Hamburg Center for Ultrafast Imaging (CUI). "Dit brengt ons een enorme stap verder in de richting van ons doel om individuele moleculen te analyseren."