Nueva investigación publicada en Métodos de la naturaleza mejorará drásticamente la forma en que los científicos "ven el interior" de las estructuras moleculares en solución, permitiendo formas mucho más precisas de obtener imágenes de datos en varios campos, desde la astronomía hasta el descubrimiento de fármacos.

El nuevo método permitirá la visualización de muchas más moléculas biológicas, proporcionando información crítica sobre lo que hay dentro de las moléculas a los científicos que actualmente solo pueden acceder a su forma exterior o envoltura. Dicha información podría ser un gran impulso para los estudios de virus, por ejemplo.

"Con las técnicas existentes, solo puedes ver el contorno del virus, "dijo el autor Thomas D. Grant, Doctor, profesor asistente de investigación en el Departamento de Biología Estructural de la Facultad de Medicina y Ciencias Biomédicas Jacobs de la Universidad de Buffalo y el Departamento de Materiales, Diseño e Innovación en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB y en el Instituto de Investigación Médica Hauptman-Woodward. "Este nuevo método nos permite ver el interior de la molécula del virus para comprender cómo se organiza la información genética, potencialmente dando una nueva perspectiva sobre cómo el virus inyecta esta información genética en su anfitrión ".

Grant es el único autor del artículo, una rareza entre los artículos publicados en esta revista. Es científico de BioXFEL (Biología con láseres de electrones libres de rayos X), un Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias compuesto por ocho universidades de investigación de EE. UU. con sede en la UB. Su misión es abordar cuestiones fundamentales en biología a nivel molecular utilizando técnicas de vanguardia, incluida la ciencia del láser de rayos X.

Resolviendo el problema de la fase

El método de Grant ha resuelto el problema de fase para una técnica de determinación molecular particular llamada dispersión de solución. El problema de la fase es donde se pierde información crítica sobre la fase de una molécula durante el proceso experimental de realizar una medición física.

Explicó que la mayoría de las estructuras moleculares de hoy se resuelven mediante cristalografía de rayos X, donde las estructuras dispersan rayos X intensos en patrones que consisten en cientos de miles de piezas únicas de información, que se utilizan para revelar finalmente la estructura en alta resolución.

"El problema es que más del 75 por ciento de las estructuras moleculares no forman fácilmente los cristales ordenados que difractan bien, ", explicó Grant." Eso significa que muchas moléculas son difíciles de visualizar en tres dimensiones ".

Además, él dijo, Las moléculas biológicas pueden exhibir movimientos dinámicos que tienen un impacto en su funcionamiento, pero esos movimientos faltan cuando las estructuras cristalizan. resultando en la pérdida de información biológica importante.

Una forma de sortear este obstáculo es utilizar una técnica llamada dispersión de solución en la que los rayos X se dispersan de las moléculas que flotan en una solución en lugar de estar dispuestas en un cristal.

"La dispersión de la solución permite que las moléculas se muevan dinámicamente en sus estados naturales, permitiendo la visualización de dinámicas conformacionales a gran escala importantes para la función biológica, "dijo Grant." Sin embargo, mientras las moléculas caen en solución, dispersan los rayos X en muchas orientaciones diferentes, perdiendo la mayor parte de la información, por lo general, arroja solo de 10 a 20 datos únicos ". Hasta ahora, tan poca información solo arrojó contornos de baja resolución de la forma de la partícula.

Grant desarrolló un nuevo algoritmo que permite reconstruir la densidad electrónica tridimensional de una molécula, similar a una reconstrucción tridimensional del cerebro producida por una tomografía computarizada. Sin embargo, su algoritmo hace esto usando solo los datos unidimensionales de los experimentos de dispersión de soluciones.

Como ver rasgos faciales en lugar de solo una silueta

"Por primera vez, esto nos permite 'ver dentro' estas moléculas flotando en solución para comprender las variaciones de densidad interna en lugar de ver solo los bordes externos o 'envoltura' de la forma de la partícula, "Dijo Grant." Como poder ver todos los rasgos faciales de una persona en lugar de solo la silueta de su rostro, esta información adicional permitirá a los investigadores comprender mejor las estructuras moleculares en solución ".

Desarrolló el nuevo método ampliando una técnica matemática conocida llamada "recuperación de fase iterativa". Esta es una técnica computacional que proporciona una forma de resolver el problema de fase.

Grant explicó:"El problema de la fase es similar a tener una cámara que registre con precisión todas las intensidades de cada píxel, pero revuelve donde están esos píxeles, basado en una ecuación matemática compleja. Así que te quedas con una imagen inútil de píxeles revueltos ".

Científicos, él dijo, Por lo general, han trabajado para decodificar esa ecuación matemática cambiando un poco la imagen para asegurarse de que se vea aproximadamente como esperaban. Por ejemplo, en una foto de paisaje, los píxeles azules que representan el cielo deberían estar naturalmente en la parte superior.

Resolver el problema de fase es como decodificar esa ecuación, Grant continuó, y poder colocar todos los píxeles donde se supone que deben estar, reconstruyendo la imagen original.

"Sin embargo, este proceso cambia algunas de las intensidades, para que los corrija en función de la imagen codificada original que tiene, ", dijo." Este método recorre este proceso iterativamente, mejorando gradualmente las fases con cada ciclo, finalmente recuperando las fases finales, resolviendo el problema de la fase y reconstruyendo la imagen deseada ".

Método de Grant, denominada "recuperación de factores de estructura iterativa, "permite a los científicos reconstruir no sólo las fases tridimensionales sino también las intensidades tridimensionales que se pierden en los experimentos de dispersión de la solución cuando las moléculas caen al azar en la solución.

"Esta es la primera demostración de la capacidad de reconstruir objetos tridimensionales a partir de datos experimentales unidimensionales y probablemente tendrá un gran impacto en los campos de imágenes relacionados". " él dijo.