Berkeley Lab-onderzoekers, in samenwerking met wetenschappers van SLAC National Accelerator Laboratory en het Max Planck Institute, hebben aangetoond dat fluctuatie-röntgenverstrooiing in staat is om het gedrag van biologische systemen in ongekend detail vast te leggen.

Hoewel deze techniek meer dan vier decennia geleden voor het eerst werd voorgesteld, de implementatie ervan werd belemmerd door het ontbreken van voldoende krachtige röntgenbronnen en bijbehorende detectortechnologie, monster leveringsmethoden, en de middelen om de gegevens te analyseren. Het team ontwikkelde een nieuw wiskundig en gegevensanalysekader dat werd toegepast op gegevens verkregen van DOE's Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC. Deze doorbraak werd onlangs gemeld in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Door te begrijpen hoe eiwitten op atomair niveau werken, kunnen wetenschappers nieuwe functionaliteit ontwikkelen, zoals de efficiënte productie van biobrandstoffen, of om medicijnen te ontwerpen om de functie van een eiwit helemaal te blokkeren. Hiertoe, driedimensionale moleculaire beeldvormingsmethoden zoals röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie bieden kritische structurele inzichten met een hoge resolutie. Echter, deze methoden zijn niet erg geschikt om de dynamiek van eiwitten in hun natuurlijke omgeving vast te leggen. Daarom, wetenschappers vullen modellen die zijn afgeleid van kristallijne of cryogeen ingevroren monsters vaak aan met gegevens van een techniek die röntgenoplossingverstrooiing wordt genoemd en waarmee ze eiwitten bij kamertemperatuur kunnen bestuderen, onder fysiologisch relevante omstandigheden.

De verstrooiing van standaardoplossingen heeft echter zijn beperkingen:in de tijd die nodig is om een ​​verstrooiingspatroon van een röntgenoplossing vast te leggen, de eiwitmoleculen draaien en bewegen zeer snel rond.

"Dit resulteert in wat in wezen een enorme hoeveelheid bewegingsonscherpte is in de opgenomen gegevens waaruit slechts enkele details betrouwbaar kunnen worden afgeleid, " legde Peter Zwart uit, een stafwetenschapper in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division en lid van het Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) in Berkeley Lab.

Bewegingsonscherpte vermijden

Om deze problemen op te lossen, Zwart en collega CAMERA-onderzoekers, waaronder Kanupriya Pande (MBIB) en Jeffrey Donatelli (Divisie Computational Research), hebben de afgelopen jaren een nieuwe benadering ontwikkeld op basis van het analyseren van de hoekcorrelaties van intense, ultrakorte röntgenpulsen verspreid van macromoleculen in oplossing. Deze ultrakorte pulsen voorkomen bewegingsonscherpte en resulteren in aanzienlijk meer informatie, beter opleveren, meer gedetailleerde driedimensionale modellen.

"Een van de voordelen van fluctuatieverstrooiing is dat we niet aan één deeltje tegelijk hoeven te werken, maar kan verstrooiingsgegevens van veel deeltjes tegelijk gebruiken, " zei Pande. Dit zorgt voor een veel efficiënter experimenteel ontwerp, die slechts een paar minuten straaltijd nodig hebben in plaats van enkele uren of dagen die normaal gesproken worden geassocieerd met röntgenverstrooiingsmethoden met enkelvoudige deeltjes.

Een reeks nieuwe wiskunde en algoritmen ontwikkeld door CAMERA waren cruciaal voor het succes van het experiment. "De theorie achter fluctuatieverstrooiing is erg complex en de gegevens van het experiment zijn veel gecompliceerder dan traditionele oplossingsverstrooiing. Om dit te laten werken, we hadden nieuwe methoden nodig om de gegevens nauwkeurig te verwerken en te analyseren, ", zei Donatelli. Deze omvatten een geavanceerde ruisfiltertechniek, die de signaal-ruisverhouding van de gegevens met verschillende ordes van grootte verhoogde.

"Vijf jaar geleden, fluctuatieverstrooiing was in wezen gewoon een leuk idee, zonder enige indicatie of het praktisch uitvoerbaar was of dat men uit dergelijke gegevens enige structurele informatie zou kunnen afleiden, " zei Zwart. Sindsdien het team heeft wiskundige hulpmiddelen ontwikkeld om de structuur van deze gegevens te bepalen en hun algoritmen gedemonstreerd op geïdealiseerde experimentele gegevens van een enkel deeltje per opname.

In het laatste werk, Zwart en zijn collega's werkten samen met onderzoekers van het Max Planck Instituut om de praktische haalbaarheid van deze experimenten onder meer realistische omstandigheden aan te tonen. De auteurs bestudeerden het virus PBCV-1 en waren in staat om een ​​veel hoger detailniveau te verkrijgen in vergelijking met standaardoplossingsverstrooiing.

"De hoop is dat deze techniek wetenschappers uiteindelijk in staat zal stellen details van structurele dynamiek te visualiseren die mogelijk ontoegankelijk zijn met traditionele methoden, " zei Zwart. De plannen van de auteurs voor de nabije toekomst zijn om deze methode uit te breiden tot in de tijd opgeloste onderzoeken naar hoe eiwitten hun vorm en conformaties veranderen bij het uitvoeren van hun biologische functie.