Los miembros del laboratorio de Schmit que trabajaron en el artículo incluyen (desde la izquierda) al estudiante de doctorado Ishwor Poudyal, El profesor Marius Schmidt y el estudiante de doctorado y primer autor Suraj Pandey. Sus hallazgos marcan una nueva era en la investigación de proteínas que permite observar las enzimas involucradas en la enfermedad en tiempo real durante períodos significativos con una claridad sin precedentes. (Foto de Troye Fox) Crédito:UWM / Troye Fox
Para estudiar la rapidez de la biología, la química de las proteínas detrás de cada función de la vida, los científicos necesitan ver cómo las moléculas cambian e interactúan en incrementos de tiempo inimaginablemente rápidos:billonésimas de segundo o menos.
Los equipos de imágenes con ese tipo de velocidad finalmente se probaron el año pasado en el láser europeo de electrones libres de rayos X, o EuXFEL. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee ha completado la primera película molecular de la instalación, o "mapeo, "del movimiento ultrarrápido de las proteínas.
Con esta capacidad, los científicos pueden observar cómo las proteínas hacen su trabajo correctamente, o cómo su cambio de forma sale mal, causando enfermedad.
"La creación de mapas del funcionamiento físico de una proteína abre la puerta a responder preguntas biológicas mucho más importantes, "dijo Marius Schmidt, un profesor de física de la UWM que diseñó el experimento. "Se podría decir que EuXFEL ahora se puede considerar como una herramienta que ayuda a salvar vidas".
Sus hallazgos marcan una nueva era en la investigación de proteínas que permite observar las enzimas involucradas en la enfermedad en tiempo real durante períodos significativos con una claridad sin precedentes. El artículo se publica hoy en línea en la revista. Métodos de la naturaleza .
El EuXFEL produce rayos X intensos en pulsos extremadamente cortos a una velocidad de megahercios:un millón de pulsos por segundo. Los rayos están dirigidos a cristales que contienen proteínas, en un método llamado cristalografía de rayos X. Cuando un cristal es golpeado por el pulso de rayos X, difracta el haz, dispersándose en un patrón determinado que revela dónde están los átomos y produciendo una "instantánea".
Los pulsos de rayos X de disparo rápido producen instantáneas en 2-D de cada patrón desde cientos de miles de ángulos donde el rayo aterriza en el cristal. Estos se reconstruyen matemáticamente en imágenes tridimensionales en movimiento que muestran cambios en la disposición de los átomos a lo largo del tiempo.
El XFEL europeo, que abrió el año pasado, ha llevado este mapeo de átomos a un nuevo nivel. Las ráfagas extremadamente potentes contienen pulsos de rayos X a una cuadrillonésima de segundo, en "ráfagas" que ocurren a intervalos de 100 milisegundos.
El experimento de Schmidt comenzó con un destello de azul, luz visible que indujo una reacción química dentro del cristal de proteína, seguido inmediatamente por una ráfaga de intensos rayos X en pulsos de megahercios que producen las "instantáneas".
Es un experimento que realizó por primera vez en 2014 en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. En California. Allí, él y sus estudiantes pudieron documentar los cambios atómicos en sus muestras de proteínas por primera vez en un XFEL.
Después, en 2016, fueron capaces de mapear la reordenación de los átomos en el rango de tiempo que las proteínas tardan en cambiar sus formas:cuadrillonésimas de segundo (femtosegundos) hasta 3 billonésimas de segundo (picosegundos). En un picosegundo que es una billonésima de segundo, la luz viaja a lo largo del período al final de esta oración.
En esta ilustración, se inyectan microcristales (arriba, izquierda) y se inicia una reacción mediante pulsos de láser azul que golpean las proteínas dentro de los cristales (centro, izquierda). La estructura atómica de la proteína (derecha) es probada durante la reacción por los pulsos de rayos X (abajo, izquierda). En el XFEL europeo, Los pulsos de láser óptico de femtosegundos coinciden con los pulsos de rayos X que se disparan a una velocidad de megahercios. Los pulsos de rayos X son seis órdenes de magnitud más grandes que los de otras fuentes de rayos X. Esto hace posible producir patrones de difracción para casi cualquier proteína, produciendo imágenes fijas grabadas en incrementos de tiempo inimaginablemente rápidos que forman películas moleculares. Crédito:European XFEL / Blue Clay Studios
La cristalografía de resolución temporal anterior en su proteína fotorreactiva ya se había completado utilizando otras fuentes de rayos X capaces de obtener imágenes de escalas de tiempo superiores a 100 picosegundos. dejando una brecha de tiempo inexplorada entre 3 y 100 picosegundos que los científicos pudieron llenar usando EuXFEL.
El brillo excepcional del láser y la frecuencia de pulso de rayos X en megahercios les permitió recopilar datos mucho más rápido y con mayor resolución y durante períodos de tiempo más prolongados.
Schmidt describe EuXFEL como "una máquina de superlativos". El XFEL más grande del mundo, tiene 3 kilómetros de largo, que abarca la distancia entre los estados federales alemanes de Hamburgo y Schleswig-Holstein. La tecnología superconductora se utiliza para acelerar los electrones de alta energía, que genera los rayos X.
Schmidt, un biofísico que ha participado en más de 30 proyectos de imágenes XFEL hasta la fecha, ofreció una muestra del potencial médico de la cristalografía mejorada con el XFEL:utilizando este método, ha sido testigo de cómo varias proteínas trabajan juntas, cómo las enzimas responsables de la resistencia a los antibióticos desactivan un fármaco y cómo las proteínas cambian de forma para absorber la luz y permitir la vista.
Estudiante de doctorado Suraj Pandey, que vino a UWM desde su Nepal natal, es el primer autor del artículo. Ahora tiene experiencia con la tecnología que pocas personas en el mundo pueden afirmar, por ahora. Dijo que no estaba seguro de qué esperar del experimento.
El papel de Pandey fue analizar los datos y calcular los mapas del cambio estructural. De los millones de pulsos de rayos X que emiten los XFEL, la mayoría no da en el blanco en absoluto. De hecho, solo del 1% al 2% se difracta de un cristal de proteína, mientras que los pulsos restantes producen "ruido" que debe eliminarse de los datos.
El equipo también tenía otras preocupaciones, él dijo. Pandey tardó meses en cultivar la proteína necesaria para producir los cristales del experimento, pero durante su transporte a Alemania, los 5 gramos de proteína congelada estuvieron detenidos en la aduana durante varios días, durante el cual parte de ella se derritió.
Después del primer día de imágenes, procesó los datos y pudo identificar por primera vez una señal fuerte en el mapa resultante. "Este fue un gran avance, ", dijo." Pero la señal no se correspondía con el cambio predicho de experimentos anteriores. Pensé que el experimento había fallado ".
En lugar de, él y los operadores de EuXFEL aprendieron su primera lección:los pulsos ópticos que inician la reacción deben estar sincronizados exactamente con los pulsos de rayos X de megahercios. De lo contrario, la reacción de la proteína se desarrolla en asignaciones de tiempo desconocidas. Y tenían que asegurarse de que la muestra solo se excitara una vez, que resultó ser bastante complicado con las frecuencias de pulso de megahercios.
El éxito final del experimento le dio a Pandey una tremenda satisfacción.
"Es una tecnología única en su tipo, ", dijo sobre EuXFEL." Fuimos pioneros en el uso de XFEL europeo al ver las películas sobre cómo funcionan las proteínas. Solo estoy volando ".
