Pepsi-SAXS is een nieuwe, zeer efficiënte methode voor het berekenen van röntgenverstrooiingsprofielen, die nodig zijn voor de analyse van eiwitmoleculen in oplossingstoestand. De methode is ontwikkeld door wetenschappers van de Université Grenoble Alpes en MIPT, onder leiding van Sergei Grudinin. Het team testte hun methode, en de resultaten werden gepubliceerd door de International Union of Crystallography in haar tijdschrift Acta Crystallographica Sectie D:Structurele Biologie .

Eiwitten hebben een complexe structuur en extreem kleine afmetingen, in de orde van enkele nanometers. Om ze te bestuderen, onderzoekers moeten ongebruikelijke methoden bedenken, omdat eiwitmonsters maar al te gemakkelijk worden vernietigd en hun eigenschappen tijdens experimenten worden gewijzigd. Kennis van de structuren en functionele mechanismen van biomoleculen maakt het mogelijk om nieuwe medicijnen te ontwikkelen, niet met vallen en opstaan ​​- technisch gezien high-throughput screening genoemd - maar op een meer gerichte manier.

Een van de technieken die worden gebruikt om eiwitten te bestuderen, is de analyse van röntgenstralen die ervan worden verspreid. Onderzoekers moeten röntgenstraling gebruiken en geen gewoon licht om in te zoomen op individuele atomen met een karakteristieke grootte in de orde van 0,1 nanometer. Hoe kleiner het voorwerp, hoe korter de golflengte van het licht dat moet worden gebruikt om het waar te nemen. Zichtbaar licht omvat golflengten tussen 400 en 700 nanometer. Röntgenstralen, anderzijds, hebben een veel kortere golflengte en kunnen dus worden gebruikt om moleculaire structuren te onderzoeken.

"De nieuwe methode stelt ons in staat om verstrooiingscurven efficiënt en nauwkeurig te plotten, en analyseer de driedimensionale structuur van een monster, " zegt MIPT-studente Maria Garkavenko, een co-auteur van het artikel. "Onder andere, Pepsi-SAXS verhoogt de modelleringsefficiëntie en de nauwkeurigheid van de voorspelling van driedimensionale macromolecuulstructuur."

Kleine-hoek röntgenverstrooiing, of SAXS, is een experimentele techniek waarbij röntgenstralen van een monster worden verstrooid en vervolgens onder zeer kleine hoeken worden verzameld. Als resultaat, een grafiek van de intensiteit van de verstrooide röntgenbundel als functie van de invalshoek wordt verkregen. Met behulp van dit perceel, een eiwitmonster kan worden vergeleken met andere monsters in de experimentele database om de structuur en eigenschappen ervan te bepalen.

In vergelijking met andere technieken die worden gebruikt om de monsterstructuur te bepalen, SAXS is veel eenvoudiger en goedkoper. Het vereist slechts een minimale monstervoorbereiding, en de eiwitten hoeven niet te worden ingevroren of gekristalliseerd. De monsters worden bestudeerd in oplossing en in hun functionele toestand. Dit maakt de resultaten veel betrouwbaarder, omdat monstervoorbereiding soms de toestand en eigenschappen van een eiwit kan veranderen. Een ander belangrijk voordeel van de methode is dat deze niet-destructief is, wat betekent dat het experimentele monster grotendeels onaangetast blijft door röntgenstralen.

Maar tot voor kort, SAXS had één groot nadeel:de methode was rekenintensief, wat betekende dat het niet kon worden gebruikt als het aantal experimenten aanzienlijk was. Het duurde uren om de resultaten van slechts één experiment te verwerken. aanvankelijk, het aantal berekeningen was recht evenredig met het kwadraat van het aantal atomen in het monster, het laatste aantal overschrijdt gewoonlijk de duizend. Echter, In de jaren zeventig, Heinrich Stuhrmann, een Duitse onderzoeker, kwam met een idee dat de berekeningen vereenvoudigde. Hij stelde voor om verstrooiing op moleculaire verbindingen te beschrijven in termen van functies van een bepaald soort die sferische harmonischen worden genoemd. Deze aanpak bleek een succes. Door de jaren heen, een aantal rekenhulpmiddelen voor de analyse van SAXS-gegevens werden gecreëerd. Belangrijke bijdragen aan hun ontwikkeling werden geleverd door onderzoekers met een Sovjet-wetenschappelijke achtergrond, waaronder Dmitri Svergun (momenteel werkzaam in Hamburg), die de ATSAS-softwaresuite schreef voor SAXS-gegevensanalyse in biologisch macromolecuulonderzoek. De onderzoekers in de hier gerapporteerde studie onderzochten verschillende computationele methoden en vergeleken deze met hun eigen techniek.

"Pepsi-SAXS staat voor 'polynomiale expansies van eiwitstructuren en interacties' en 'small-angle X-ray scattering'. Het is een adaptieve methode voor snelle en nauwkeurige berekening van röntgenverstrooiingsprofielen onder kleine hoeken, " legt MIPT-promovendus Andrei Kazennov uit, een co-auteur van het artikel. "Pepsi-SAXS kan worden aangepast aan de grootte van een bepaald monster en de resolutie van experimentele gegevens."

De onderzoekers creëerden ook een efficiënt model van de hydratatieschaal - een laag watermoleculen die eiwitten in oplossing omringt - en verwerkten dit in hun software, het vergroten van de nauwkeurigheid van de methode.

"Onze methode is gevalideerd op een grote dataset van BioIsis en SASBDB, de twee grootste biologische databases, " zegt Sergei Grudinin, die het onderzoek begeleidde. "We hebben aangetoond dat Pepsi-SAXS vijf tot vijftig keer sneller is dan de eerder gebruikte methoden, namelijk CRYSOL, foXS, en de driedimensionale Zernike-techniek geïmplementeerd in het SAStbx-pakket. Tegelijkertijd, de nauwkeurigheid is op één lijn met hen."

De onderzoekers besteedden bijzondere aandacht aan de analyse van de verkregen resultaten, die werden vergeleken met de experimentele gegevens.

Eiwitonderzoek is van fundamentele betekenis voor ons begrip van de basisprocessen die ten grondslag liggen aan het leven, evenals voor de ontwikkeling van medicijnen, behandelingen, en organische materialen, inclusief kunstmatige organen. De nieuwe tool die door de auteurs wordt gepresenteerd, zou 50 keer snellere vooruitgang op deze gebieden kunnen betekenen.