In de opslagring met een diameter van 844 meter van de European Synchrotron Radiation Facility, elektronen die met bijna de lichtsnelheid reizen, produceren enkele van de helderste röntgenstralen ter wereld. Deze röntgenstralen kunnen de positie en bewegingen van atomen in allerlei soorten materie onthullen. Zeven van de 44 bundellijnen van de faciliteit zijn gewijd aan structureel biologieonderzoek en worden uitgevoerd onder auspiciën van een EMBL-ESRF-partnerschap dat bekend staat als de Joint Structural Biology Group (JSBG).

De macromoleculaire kristallografie (MX) en kleine hoekverstrooiende bundellijnen worden beheerd door wetenschappers van beide instellingen, die hun expertise gebruiken om EMBL-onderzoekers en gastwetenschappers te helpen bij het verkrijgen van structurele gegevens. De JSBG-bundellijnen zijn een uiterst waardevolle hulpbron voor de internationale structurele biologiegemeenschap.

Een langverwachte opening

Ruim anderhalf jaar geleden, de ESRF werd gedurende 20 maanden stilgelegd, gedurende die tijd werd de synchrotronring volledig herbouwd en geüpgraded tot 's werelds eerste Extreem Briljante Bron (EBS) - een project van € 150 miljoen dat loopt van 2017 tot 2022. Kort nadat de nieuwe ring in januari 2020 was voltooid, Er werden weer routinematig röntgenfoto's gemaakt.

"Het was verbazingwekkend dat zodra de nieuwe synchrotron operationeel was, we hadden de straal terug en de gegevensverzameling was binnen drie dagen operationeel!" zegt Matthew Bowler, van het McCarthy-team van EMBL Grenoble, en een van de wetenschappers die verantwoordelijk is voor een van de JSBG-bundellijnen.

Na een succesvolle start van de inbedrijfstelling, de ESRF-EBS - en daarmee de bundellijnen - moest vanwege de COVID-19-pandemie opnieuw gesloten blijven. Gedurende de laatste maanden, uitzonderlijke toegang werd slechts verleend aan enkele gebruikers met projecten die hebben bijgedragen aan de internationale wetenschappelijke inspanning op het onderzoek naar COVID-19.

Met de opening vandaag de innovaties die het EBS-project tot stand heeft gebracht, worden eindelijk onthuld aan de wetenschappelijke gemeenschap. Naast de bouw van een nieuwe opslagring, ze omvatten een geavanceerd instrumentatie-upgradeprogramma, en verbetering van alle structurele biologiebundellijnen van de JSBG, met name een belangrijke upgrade van MASSIF-1.

Een hoger niveau van geautomatiseerde wetenschap

MASSIF-1 is een van de zeven bundellijnen die gezamenlijk worden beheerd door de ESRF en EMBL Grenoble, en was 's werelds eerste geautomatiseerde bundellijn. Matthew Bowler, en Didier Nurizzo van ESRF, de voordelen van de procedure uitleggen:"De bundellijn werkt 24 uur per dag. Onderzoekers sturen hun bevroren kristallen per post, en de beamline-wetenschappers laden ze in een cryogeen opslagsysteem met grote capaciteit. De monsters worden vervolgens volledig automatisch door de bundellijn geanalyseerd."

Dit proces houdt in dat een robot het kristal uit de opslag in de straal brengt, vervolgens lokaliseren complexe algoritmen het monster en bepalen het optimale experimentele protocol. Zodra de analyse begint, de gebruikers ontvangen een e-mail en kunnen zien dat hun gegevens op afstand en in realtime worden verzameld.

"De automatisering is fantastisch, " concludeert Bowler. "Het zal hetzelfde werk doen voor elk monster, of het nu vier uur 's middags of' s morgens is."

Gedurende dit jaar worden er verschillende belangrijke upgrades geïmplementeerd op MASSIF-1. Bijvoorbeeld, een door EMBL ontwikkelde microdiffractometer - een instrument dat een kristal in de röntgenbundel kan plaatsen en roteren met een nauwkeurigheid van een duizendste van een millimeter - is zojuist geïnstalleerd. In een later stadium zal de optica die de röntgenstralen op het kristal focust, worden aangepast aan de nieuwe bundel die door de EBS wordt geproduceerd, die 100 keer helderder is dan de vorige straal.

Een van de belangrijkste upgrades voor de bundellijn is de introductie van de FlexHCD-robot. Deze robot is gezamenlijk ontwikkeld door het Ciprani Team, Instrumentatieteam van EMBL Grenoble, en de ESRF Instrumentation Services and Development Division en Structural Biology-groepen. Dit nieuwe apparaat voor het verwerken van bevroren kristallen zal de snelheid van het verzamelen van gegevens aanzienlijk verhogen. "Momenteel, er zijn maximaal zes minuten nodig per monster, " legt Nurizzo uit. "De upgrade zal de verwerkingssnelheid verdubbelen of verdrievoudigen."

Nieuwe experimentele mogelijkheden

Voordat kristallen kunnen worden geanalyseerd bij JSBG-bundellijnen, ze moeten worden gegenereerd in een kristallisatiefaciliteit via een grondig en soms vervelend proces van screening en optimalisatie, die doorgaans vele malen langer duurt dan de diffractie-experimenten zelf.

Een andere belangrijke upgrade betreft de CrystalDirect-robot, die in 2012 werd ontwikkeld door het Cipriani-team en het Marquez-team van EMBL Grenoble. Deze technologie maakt volledige automatisering van kristalmontage en cryokoeling mogelijk, het vergemakkelijken van de overdracht van monsters tussen de kristallisatiefaciliteit en de synchrotron.

In zijn nieuwe vorm, MASSIF-1 zal worden beheerd in samenwerking met het EMBL HTX Lab, die een nieuw niveau van efficiëntie zal brengen, vooral in intensieve fragmentscreeningcampagnes voor het ontdekken van geneesmiddelen. Bovendien, gedurende 2021, een van de CrystalDirect-robots van het HTX Lab zal worden geïntegreerd in de MASSIF-1 beamline-omgeving. Dit zal een grote stap voorwaarts zijn en het mogelijk maken om monsters rechtstreeks van de kristallisatieplaat in de röntgenstraal af te leveren. Al deze ontwikkelingen zullen EMBL en ESRF in de voorhoede houden van innovaties in MX-bundellijntechnologie in de wereld ten behoeve van structurele biologie.