Un equipo de científicos e ingenieros del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un nuevo instrumento científico que permite la caracterización ultraprecisa y de alta velocidad de cristales de proteínas en la Fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II):una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven, que genera rayos X de alta energía que se pueden aprovechar para sondear los cristales de proteína. Llamado goniómetro FastForward MX, este avanzado instrumento aumentará significativamente la eficiencia de la cristalografía de proteínas al reducir el tiempo de ejecución de los experimentos de horas a minutos.

La cristalografía de proteínas es una técnica de investigación esencial que utiliza la difracción de rayos X para descubrir las estructuras tridimensionales de las proteínas y otras moléculas biológicas complejas. y comprender su función dentro de nuestras células. Usando este conocimiento sobre la estructura básica de la vida, los científicos pueden avanzar en el diseño de fármacos, mejorar los tratamientos médicos, y desentrañar otros procesos ambientales y bioquímicos que gobiernan nuestra vida diaria.

Para que esta técnica funcione, las proteínas deben cristalizarse, y las proteínas más desafiantes a menudo solo crecen en pequeños microcristales. Para reconstruir estas complejas estructuras de proteínas, Los científicos necesitan medir los datos de difracción de rayos X de miles de microcristales y fusionar los datos recopilados. una técnica llamada cristalografía en serie. Actualmente, estas mediciones toman horas en instrumentos de investigación altamente especializados y avanzados en líneas de luz de cristalografía macromolecular sincrotrón para completar. Las líneas de luz de cristalografía macromolecular se pueden encontrar en casi todas las instalaciones de radiación de sincrotrón del mundo y utilizan los intensos rayos X de las fuentes de luz para caracterizar la estructura atómica de las proteínas.

"Con nuestro nuevo goniómetro FastForward MX de velocidad ultra alta y alta precisión, podemos recopilar datos de cristalografía en serie tan rápido que ahora se pueden adquirir conjuntos de datos completos en solo unos minutos, "dijo Martin Fuchs, el científico principal de la línea de luz de Cristalografía Macromolecular de Microfenfoque Frontier (FMX) en NSLS-II. "Nuestro nuevo goniómetro aprovecha al máximo las excepcionales propiedades de haz de NSLS-II, y por lo tanto de los rayos X brillantes líderes en el mundo disponibles en nuestra línea de luz ".

El equipo desarrolló el nuevo goniómetro específicamente para el tamaño de un micrómetro de la línea de luz FMX, haz de rayos X intenso. FMX ahora brinda a los investigadores una capacidad única para medir datos de difracción de rayos X de cristales increíblemente pequeños a tasas mucho más altas que en cualquier otra fuente de luz de sincrotrón.

"El pequeño tamaño del haz junto con nuestra nueva técnica de escaneo rápido nos da la capacidad de determinar la estructura de moléculas biológicas a partir de diminutos cristales de proteínas que anteriormente no habrían sido lo suficientemente grandes para recolectar datos de," "dijo Fuchs.

El goniómetro puede colocar cristales de proteínas con una precisión de 25 nanómetros (4, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano) y asegura que el diminuto haz de rayos X pueda iluminar con precisión los microcristales para las mediciones de difracción.

"Para lograr esta precisión y velocidad, necesitábamos superar muchos desafíos tecnológicos. Por ejemplo, necesitábamos desarrollar una forma de mover el cristal en estos pasos extremadamente pequeños y, al mismo tiempo, medir estos pequeños movimientos, "dijo Evgeny Nazaretski, un físico y especialista en instrumentación de microscopía de rayos X en NSLS-II. "Tuvimos que combinar la experiencia de diferentes campos, como la microscopía de rayos X y la biología estructural, para permitir este tipo de desarrollo".

El programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Brookhaven financió el proceso de diseño y construcción de dos años, incluyendo todos los pasos desde el diseño conceptual y la caracterización del laboratorio hasta la integración del sistema en el entorno experimental en la línea de luz FMX. Yuan Gao, un investigador asociado en este proyecto, probó el goniómetro a fondo durante el transcurso del desarrollo por su estabilidad y rendimiento óptimo y demostró velocidades de escaneo de hasta 100 hercios y tasas de adquisición de datos de 750 cuadros / segundo. Un único experimento de cristalografía en serie puede requerir cientos de miles de fotogramas de fecha.

Para demostrar el rendimiento del goniómetro recientemente desarrollado, el equipo lo utilizó para caracterizar las estructuras de dos proteínas conocidas, tripsina y proteinasa K bovinas, y compararon sus nuevas reconstrucciones con el conocimiento existente sobre estas dos estructuras proteicas.

"Medimos estas dos proteínas conocidas utilizando el goniómetro FastForward en FMX y desarrollamos un flujo de trabajo de procesamiento de datos que analizaba automáticamente los datos a medida que los recopilamos, "dijo Wuxian Shi, un científico en la línea de luz FMX. "Con este, pudimos resolver las estructuras y demostrar que los datos daban estructuras de alta resolución y alta calidad, incluso a las velocidades de recopilación más rápidas ".

Como siguiente paso, el equipo está trabajando para permitir el intercambio robótico de muestras durante los experimentos para aumentar aún más el rendimiento de la línea de luz FMX. Este sistema estará disponible para los grupos de usuarios generales de la línea de luz, y abrir un camino para la determinación de estructuras a partir de cristales más pequeños que nunca.