Er is een nieuw lichtpuntje bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource:Beam Line 12-1, een experimenteel station gewijd aan het bepalen van de structuren van biologische macromoleculen met röntgenstralen met een hoge helderheid. Onderzoekers uit het hele land gebruiken het om de atomaire structuur en functie van verschillende componenten van SARS-CoV-2 te onderzoeken, het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

De nieuwe bundellijn bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy combineert een extra helder, strak gefocuste röntgenstraal met robotica, automatisering, volledige toegang op afstand en gegevensverwerkingssystemen om de soorten macromoleculen uit te breiden die onderzoeksteams kunnen bestuderen en hen in staat te stellen experimenten sneller uit te voeren dan voorheen en vanuit hun thuislaboratoria.

In slechts de eerste paar maanden van de operatie, onderzoekers van de Stanford University, Het Scripps-onderzoeksinstituut, de Universiteit van Californië, San Francisco en het California Institute of Technology hebben de nieuwe bundellijn gebruikt om eiwitten te bestuderen waarvan wordt aangenomen dat ze een centrale rol spelen bij SARS-CoV-2-infectie.

Onder de resultaten zijn nieuwe aanwijzingen over hoe antilichamen infecties blokkeren en hoe medicijnen het immuunsysteem kunnen moduleren, zodat het krachtig reageert wanneer dat nodig is, terwijl overreacties worden vermeden die meer kwaad dan goed zouden kunnen doen.

De nieuwe bundellijnconstructie werd gefinancierd door Stanford University, Het Scripps-onderzoeksinstituut, verschillende particuliere stichtingen via Stanford University, waaronder de Gordon en Betty Moore Foundation, en de National Institutes of Health. Bij BL12-1, zei Scripps-professor Ian Wilson, SSRL heeft een van de meest geavanceerde "microfocus" röntgenstraallijnen ter wereld. "We zullen kleinere kristallen kunnen gebruiken, gegevens van hogere kwaliteit verzamelen, een betere signaal-ruisverhouding krijgen en meer datasets per uur verzamelen" dan ooit tevoren, zei Wilson.

BL12-1 begon met gebruikersactiviteiten nadat de pandemie van de COVID-19-pandemie begon, zei Aina Cohen, een SSRL senior wetenschapper die de operaties leidt bij BL12-1, en als gevolg daarvan heeft het tot nu toe bijna volledig COVID-gerelateerd onderzoek gedaan, waaronder een aantal studies van de groep van Wilson. Maar als de shelter-in-place begint te stijgen, andere projecten zullen binnenkomen, ze zei, "en ze zullen ook profiteren van het gebruik van de geavanceerde mogelijkheden van BL12-1."

Groots worden met kleinere balken

Een van de belangrijkste kenmerken van de BL12-1 is de zeer kleine bundelgrootte, met een verticale focus van 5 micron, en hoge helderheid ten opzichte van andere bundellijnen die zijn gewijd aan structurele moleculaire biologie en macromoleculaire röntgenkristallografie. De kleine, intense bundel zal vooral handig zijn bij het bestuderen van moleculen waarvoor het moeilijk of tijdrovend is om grote kristallen te laten groeien - in het algemeen, het is het gemakkelijkst om nuttige informatie te extraheren wanneer de bundelgrootte gelijk is aan de grootte van het kristal zelf.

Deze kleine bundelgrootte is al erg belangrijk gebleken voor COVID-19-onderzoek, zei Christopher Barnes, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Pamela Bjorkman bij Caltech. Barnes bestudeert de structuur van SARS-CoV-2-antilichamen, inclusief hoe en waar ze zich aan het virus binden - en hij probeert het zo snel mogelijk te doen.

"Vanwege de snelheid van deze projecten, we hebben de kristallen niet zo uniform gemaakt als gewoonlijk, ’ zei Barnes, dus hadden ze een straal nodig die kan focussen op kleinere, meer gelijkmatige plekken in de kristallen. "Dat is alleen haalbaar met een microfocusbundellijn zoals BL12-1, " hij zei.

In aanvulling, BL12-1 beschikt over nieuwe, snellere gegevensverzamelingssystemen, robotica die op afstand sneller dan voorheen monsters en experimentele opstellingen schakelt, en het vermogen om seriële kristallografie uit te voeren, waarin hele kleine kristallen de een na de ander in de straal worden geschoten, waardoor onderzoekers een volledig beeld krijgen van de eiwitten in die kristallen zonder de noodzaak om er een te laten groeien, grotere. Bovendien, dit alles kan op afstand worden uitgevoerd vanuit de thuislaboratoria van de gebruikers, een belangrijk voordeel in deze periode van beperkt reizen en social distancing.

Snelheid en flexibiliteit in tijden van coronavirus

Het opstarten van de nieuwe bundellijn stond voor een ongewone hindernis:het werk eraan kwam grotendeels tot stilstand nadat de bevel tot onderdak in werking was getreden, en veel van de laatste tests werden pas in april voltooid. Zelfs dan, er waren strikte beperkingen op het aantal medewerkers dat naar het laboratorium kon komen om werkzaamheden aan beamline-hardware te voltooien en om systemen te testen, dus de eerste experimenten met inbedrijfstelling – onderzoeken die gedeeltelijk werden uitgevoerd om eventuele knikken in het systeem op te lossen – waren gerelateerd aan het nieuwe coronavirus.

Een vroeg experiment, onder leiding van UCSF-professor James Fraser, gebruikte het vermogen van BL12-1 om monsters te onderzoeken die niet bevroren zijn maar bij kamertemperatuur om enzymen te bestuderen die betrokken zijn bij virale replicatie dichter bij lichaamstemperaturen. Een andere - een van de eersten die op BL12-1 liep - was een studie, onlangs gepubliceerd in Wetenschap door Wilson en collega's, van de moleculaire structuren van antilichamen die het immuunsysteem gebruikt om te voorkomen dat SARS-CoV-2 cellen infecteert.

"Het is fantastisch dat we deze bundellijn hebben kunnen gebruiken terwijl deze in gebruik wordt genomen en onze voortgang op het gebied van COVID-19-werk daadwerkelijk hebben versneld, ' zei Wilson.

Stanford-professor Jennifer Cochran, afgestudeerde student Jack Silberstein en SSRL-wetenschapper Irimpan Mathews pakten het anders aan. Ze zijn op zoek naar medicijnen die de reactie van het immuunsysteem naar boven of naar beneden kunnen moduleren, afhankelijk van in welke fase van de ziekte een patiënt zich bevindt:vroeg opstaan, en naar beneden als er tekenen zijn van een overreactie van het immuunsysteem. Het kennen van de structuren van zowel de medicijnen als de moleculen van het immuunsysteem waarop ze inwerken, is essentieel voor het zoeken, Silberstein zei:"Als je geen structuur hebt, je vliegt blind."

Mathews zei dat de BL12-1 klein is, een hoge intensiteitsstraal hielp hen om specifieke delen van hun kristallen te richten en verschillende datasets van dezelfde kristallen te verzamelen, hun werk versnellen. "Ik was verrast door hoe soepel onze metingen waren, " hij zei.

Opstarten wanneer u op zijn plaats schuilt

Met een gestage stroom van gebruikers zoals deze, Cohen zei, hielp bij het oplossen van eventuele resterende knikken tijdens de inbedrijfstellingsfase, vooral omdat er zoveel werk op afstand moest worden gedaan.

"Slechts één of twee leden van ons onderzoeksteam mochten tegelijkertijd ter plaatse en alle gebruikersgroepen waren op afstand verbonden met onze systemen om hun experimenten te besturen, " zei ze. "Veel van het probleemoplossingswerk zou op afstand kunnen worden gedaan door onze programmeurs en ondersteunende wetenschappers. In andere gevallen, we zouden veel mensen thuis hebben die de persoon ter plaatse zouden adviseren, " en SSRL-teamleden rouleerden in en uit, sommige nacht- en weekenddiensten werken om het te laten werken met behoud van fysieke afstand. "Dat, gecombineerd met onze volledig geautomatiseerde en op afstand bestuurbare experimentele systemen, gaf ons veel flexibiliteit."

Het COVID-werk gaat door, beginnend met meer projecten van Scripps. Meng Yuan, een postdoctoraal medewerker in de groep van Wilson, zei dat ze hun aanvankelijke werk uitbreiden om te kijken naar extra paren antilichamen en virale eiwitten. "We hebben een groot aantal kristallen die moeten worden gescreend en hebben dringend behoefte aan straaltijd, "zei hij. "De goede capaciteit, snel antwoord, en flexibiliteit van Beam Line 12-1, samen met toegang op afstand, hebben ons onderzoek echt geholpen."