Para el desarrollo de nuevos agentes medicinales, El conocimiento preciso de los procesos biológicos en el cuerpo es un requisito previo. Aquí las proteínas juegan un papel crucial. En el Instituto Paul Scherrer PSI, el láser de rayos X de electrones libres SwissFEL tiene ahora, por primera vez, dirigió su fuerte luz sobre los cristales de proteínas e hizo visibles sus estructuras. Las características especiales del láser de rayos X permiten experimentos completamente novedosos en los que los científicos pueden observar cómo las proteínas se mueven y cambian de forma. El nuevo método que en Suiza solo es posible en PSI, ayudará en el futuro descubrimiento de nuevos fármacos.

Menos de dos años después de que el láser de rayos X de electrones libres SwissFEL comenzara a operar, Investigadores de la ISP, junto con la empresa suiza leadXpro, han completado con éxito su primer experimento utilizándolo para estudiar moléculas biológicas. Con eso, han logrado otro hito antes de que esta nueva gran instalación de investigación de PSI esté disponible para experimentos, a principios de 2019, a todos los usuarios de la academia y la industria. SwissFEL es una de las cinco instalaciones en todo el mundo en las que los investigadores pueden investigar procesos biológicos en proteínas o complejos de proteínas con luz láser de rayos X de alta energía.

"En el futuro, Los pulsos de luz de rayos X extremadamente cortos de SwissFEL nos permitirán aquí en PSI capturar no solo la estructura de las moléculas, pero también su movimiento, "dice el físico de la ISP Karol Nass, quien dirigió el experimento. "Eso nos permitirá observar y comprender muchos procesos biológicos desde una perspectiva completamente diferente".

Esto abre nuevas posibilidades para la investigación farmacéutica en particular. Michael Hennig, CEO de la empresa de biotecnología leadXpro, está convencido de eso. La empresa, con sede en Park innovaare en PSI, está investigando la estructura de determinadas proteínas que asumen funciones importantes en la membrana celular y, por tanto, son dianas adecuadas para fármacos. Por eso ya lo ha hecho, en este primer experimento biológico en las nuevas instalaciones de SwissFEL, examinó de cerca una proteína de membrana que juega un papel importante en los cánceres.

Brillando una luz hacia lo desconocido

Las proteínas de membrana están involucradas en muchos procesos biológicos del cuerpo y, por lo tanto, son la clave para nuevas perspectivas de tratamiento; ya se han concedido varios premios Nobel a investigadores que los han estudiado. Son moléculas de proteínas que están firmemente integradas en la membrana celular y son responsables de la comunicación entre las células y su entorno. Cuando un agente medicinal se acopla a ellos, por ejemplo, cambian su forma y, al hacerlo, envían una señal al interior de la celda. Eso influye en el metabolismo celular y otras funciones celulares. Muchos fármacos que se utilizan hoy en día ya funcionan a través de proteínas de membrana.

Sin embargo, no se sabe mucho en detalle sobre los cambios que los agentes desencadenan allí. "Sabes qué agente es vinculante y qué efectos provoca, sin embargo, las señales se transmiten a través de cambios estructurales de la proteína. ¿Qué son exactamente estos? solo podemos adivinar, "Dice Hennig". Con SwissFEL, queremos comprender mejor estas dinámicas ultrarrápidas con las que los fármacos se acoplan a las proteínas de membrana, así como los mecanismos asociados ". Con este conocimiento, los investigadores esperan, Se pueden desarrollar agentes nuevos y más específicos contra las enfermedades. y los efectos secundarios se pueden minimizar.

Estroboscopio superlativo

Para hacer visible la estructura de proteínas complejas, Hasta ahora, los investigadores han utilizado un método en el que observan las proteínas con la ayuda de una instalación que produce luz de sincrotrón, también en PSI. Para este método, las proteínas se preparan para que estén disponibles en forma cristalina, es decir, dispuestas en una estructura de celosía regular. Cuando la luz de rayos X de un sincrotrón los golpea, esta luz se dispersa en la red de cristal y es captada por un detector.

Luego, el detector envía los datos a una computadora para obtener una imagen tridimensional de la estructura de la proteína. Este principio básico también se aplica en SwissFEL. Comparado con un sincrotrón, aunque, SwissFEL envía destellos de rayos X con una intensidad mil millones de veces mayor en intervalos muy cortos, hasta 100 destellos por segundo. Estos destruyen los cristales después de cada destello. Por lo tanto, deben introducirse sucesivamente en el haz de rayos X hasta cientos de miles de cristales de una proteína. Cada destello que golpea una proteína justo antes de destruirlo, produce un diagrama de dispersión en el detector. Esto se analiza mediante un software complejo que se ejecuta en computadoras de alto rendimiento y luego se computa en una estructura. Dado que los pulsos son inimaginablemente cortos, incluso los movimientos moleculares muy rápidos pueden hacerse visibles como en cámara lenta.

Máxima resolución gracias al detector PSI

El detector Jungfrau-16M de SwissFEL es el detector más nuevo y más grande del mundo para la investigación de biomoléculas con un láser de rayos X. Los investigadores de PSI pasaron más de cinco años desarrollando el detector 16-M específicamente para esta aplicación. Se completó en junio de 2018. Luego, solo pasaron dos meses antes de que pudiera demostrar con éxito su capacidad, con este primer experimento de biomoléculas en SwissFEL. "Este detector es algo especial, ", dice el físico de PSI Nass." Tiene un rendimiento de bajo ruido y un rango dinámico muy alto, y como resultado, puede registrar un ancho de banda mucho mayor de intensidades ". Esto es como una cámara que puede procesar grandes diferencias entre luz y oscuridad. Esta característica es especialmente importante para las mediciones en SwissFEL debido a su intensidad de luz extremadamente alta.

Además del detector de alta sensibilidad, Los investigadores biológicos de SwissFEL aprecian la posibilidad de analizar cristales mucho más pequeños que en un sincrotrón. Este aspecto también es interesante desde una perspectiva económica, Hennig encuentra, ya que dependiendo de la proteína, encontrar un procedimiento para cultivar cristales a partir de él puede llevar mucho tiempo. "Para algunas proteínas, hasta ahora, sólo se pueden producir pequeños cristales. Ahora podemos estudiarlos en SwissFEL. De esta forma nos ahorramos una enorme cantidad de tiempo que de otro modo sería necesario para la optimización del cristal, por lo que obtenemos los resultados más rápido ".

Para leadXpro, la colaboración con PSI, incluido el acceso a la gran instalación de investigación SwissFEL, es una situación en la que todos ganan en la que las áreas de especialización se complementan perfectamente entre sí. Ya en este experimento piloto, un investigador de leadXpro cristalizó las proteínas y las preparó para su análisis en orden, luego, para examinarlos conjuntamente con los científicos de PSI en SwissFEL. Hennig agrega:"Con nuestros experimentos, lo estamos demostrando en SwissFEL, simultáneamente con la investigación fundamental, es posible realizar investigación farmacéutica aplicada que beneficiará a los pacientes ". Un día, como resultado, Deben descubrirse agentes que conduzcan a mejoras importantes en el tratamiento de enfermedades, al influir en pequeños movimientos de las proteínas.