Comprender la estructura de las proteínas, los componentes básicos de la vida, es fundamental para conocer mejor su función biológica. Debido a su diminuto tamaño y extrema fragilidad, estas estructuras son enormemente difíciles de determinar. La adquisición de datos de resolución suficiente requiere inmensas dosis de radiación de rayos X de alta energía, que, lamentablemente, daña irrevocablemente a las proteínas principalmente investigadas.

Ahora, los investigadores del MPSD y DESY en Hamburgo han desarrollado un nuevo método inventivo que evita estas trampas y utiliza accesibles, tecnología rentable. Su trabajo que describe el nuevo método se ha publicado ahora en Comunicaciones de la naturaleza .

Por décadas, investigadores de muchos campos como la física, biología, y la bioquímica han invertido su creatividad en eludir el enigma del daño por radiación. Los enfoques actuales incluyen el uso de destellos de rayos X extremadamente cortos e intensos en instalaciones como el nuevo láser europeo de electrones libres de rayos X (EuXFEL) en Hamburgo, que puede tomar imágenes bien expuestas de proteínas antes de hacerlas explotar literalmente.

Si bien este método ha tenido un éxito espectacular en la obtención de estructuras de proteínas de alta resolución, La generación de haces de rayos X del brillo requerido requiere el uso de aceleradores de partículas grandes y costosos. Una alternativa muy eficaz, que se practica intensamente en el Centro de Biología de Sistemas Estructuales (CSSB) en Hamburgo, por ejemplo, es renunciar por completo a las radiografías, y usa haces de electrones en su lugar, que son más suaves con las delicadas biomoléculas y más fáciles de generar.

El equipo de investigación de MPSD / DESY en el Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) ha combinado ingeniosamente estas metodologías con la computación de big data y las mejoras recientes en la tecnología de las cámaras y ha logrado obtener estructuras de proteínas de alta resolución a partir de nanocristales relativamente fáciles de obtener. Lograr esto, han desarrollado una técnica llamada difracción de electrones en serie adaptando métodos experimentales ya conocidos en la comunidad de cristalografía de rayos X para adquirir y procesar secuencialmente patrones de difracción de miles de cristales.

En lugar de implementar un instrumento de mil millones de euros como EuXFEL, simplemente distribuyeron estos cristales en una fina película de carbono y los insertaron en un microscopio electrónico de transmisión, un dispositivo disponible en todas partes. Se hace que el haz de electrones salte de un nanocristal al siguiente para adquirir datos de difracción. Aparte del ahorro de material en muestras a menudo raras y costosas, La utilización de nanocristales significa que los investigadores ya no tienen que cultivar grandes cristales de proteínas como lo requieren los métodos más antiguos (rayos X), una empresa que a menudo resulta prohibitivamente difícil.

Para evitar el daño causado por el haz de electrones, en lugar de tomar una sola fotografía, Se graba una película corta utilizando una cámara de alta velocidad mientras el haz de electrones descansa sobre cada cristal. En la película, literalmente, se puede ver cómo las proteínas del cristal se "derriten"; sin embargo, hay suficiente información en esta película de difracción durante la destrucción para reconstruir los datos casi como si no hubiera ningún daño. Este procedimiento se repite para miles de nanocristales, y en unas pocas horas, utilizando software especializado desarrollado en DESY, la enorme cantidad de datos se convierte en una estructura proteica de alta resolución.

Además de proteínas y otras biomoléculas, La difracción de electrones en serie también es aplicable a muchas clases de materiales funcionales novedosos, como las perovskitas y los marcos metalorgánicos, todos ellos candidatos prometedores para futuras aplicaciones en células solares y almacenamiento de hidrógeno. El equipo de investigación está entusiasmado con la facilidad de uso de esta técnica innovadora, con sus bajos requisitos de equipamiento y amplia aplicabilidad. Anticipan que se extenderá desde el MPSD a los laboratorios de todo el mundo.