Hay un nuevo punto brillante en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford:Beam Line 12-1, una estación experimental dedicada a determinar las estructuras de macromoléculas biológicas con rayos X de alto brillo. Investigadores de todo el país lo están utilizando para examinar la estructura atómica y la función de diferentes componentes del SARS-CoV-2, el virus que causa COVID-19.

La nueva línea de luz en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía combina un extra brillante, haz de rayos X bien enfocado con robótica, automatización, sistemas de procesamiento de datos y acceso remoto completo para expandir los tipos de macromoléculas que los equipos de investigación pueden estudiar y permitirles ejecutar experimentos más rápido que antes y desde sus laboratorios domésticos.

Solo en los primeros meses de funcionamiento, investigadores de la Universidad de Stanford, El Instituto de Investigación Scripps, la Universidad de California, San Francisco y el Instituto de Tecnología de California han utilizado la nueva línea de luz para estudiar proteínas que se cree que son fundamentales para la infección por SARS-CoV-2.

Entre los resultados se encuentran nuevas pistas sobre cómo los anticuerpos bloquean la infección y cómo los medicamentos pueden modular el sistema inmunológico para que responda con fuerza cuando sea necesario y, al mismo tiempo, evitar reacciones exageradas que podrían causar más daño que bien.

La nueva construcción de la línea de luz fue financiada por la Universidad de Stanford, El Instituto de Investigación Scripps, varias fundaciones privadas a través de la Universidad de Stanford, incluida la Fundación Gordon y Betty Moore, y los Institutos Nacionales de Salud. En BL12-1, dijo el profesor de Scripps Ian Wilson, SSRL tiene una de las líneas de rayos X de "microfoco" más avanzadas del mundo. "Podremos utilizar cristales más pequeños, recopilar datos de mayor calidad, obtenga una mejor relación señal-ruido y recopile más conjuntos de datos por hora "que nunca, Dijo Wilson.

BL12-1 inició operaciones de usuario después de que comenzara el refugio en el lugar de la pandemia COVID-19, dijo Aina Cohen, un científico senior de SSRL que dirige operaciones en BL12-1, y como resultado, ha realizado casi en su totalidad investigaciones relacionadas con COVID hasta ahora, incluyendo varios estudios del grupo de Wilson. Pero cuando el refugio en el lugar comienza a levantarse, otros proyectos empezarán a llegar, ella dijo, "y también se beneficiarán del uso de las capacidades avanzadas de BL12-1".

Ir a lo grande con vigas más pequeñas

Una de las características clave del BL12-1 es su tamaño de haz muy pequeño, con un enfoque vertical de 5 micrones, y alto brillo en relación con otras líneas de luz dedicadas a la biología molecular estructural y la cristalografía macromolecular de rayos X. El pequeño, El haz intenso será particularmente útil al estudiar moléculas para las que es difícil o lento cultivar cristales grandes; en general, Es más fácil extraer información útil cuando el tamaño del haz está a la par con el tamaño del cristal en sí.

Este pequeño tamaño de haz ya ha demostrado ser muy importante para la investigación de COVID-19, dijo Christopher Barnes, becaria postdoctoral en el grupo de Pamela Bjorkman en Caltech. Barnes está estudiando la estructura de los anticuerpos del SARS-CoV-2, incluyendo cómo y dónde se unen al virus, y está tratando de hacerlo lo más rápido que puede.

"Debido a la velocidad de estos proyectos, no hicimos los cristales tan uniformes como solemos hacer, "Barnes dijo, por lo que necesitaban un rayo que pudiera enfocarse en más pequeños, parches más uniformes dentro de los cristales. "Eso solo se puede lograr con una línea de luz de microenfoque como BL12-1, " él dijo.

Además, BL12-1 presenta nuevas, sistemas de recopilación de datos más rápidos, robótica que cambia de forma remota muestras y configuraciones experimentales más rápido que antes, y la capacidad de realizar cristalografía en serie, en el que se disparan cristales muy pequeños en el rayo uno tras otro, dando a los investigadores una imagen completa de las proteínas dentro de esos cristales sin la necesidad de cultivar una sola, uno más grande. Y lo que es más, todo esto se puede realizar de forma remota desde los laboratorios domésticos de los usuarios, un beneficio importante durante este período de viajes limitados y distanciamiento social.

Rapidez y flexibilidad en la época del coronavirus

La puesta en marcha de la nueva línea de luz enfrentó un obstáculo inusual:el trabajo en ella se detuvo en gran medida después de que entraron en vigencia las órdenes de refugio en el lugar, y gran parte de las pruebas finales no se completaron hasta abril. Incluso entonces, había estrictas restricciones sobre la cantidad de personal que podía venir al laboratorio para completar el trabajo en el hardware de la línea de luz y para probar los sistemas, por lo que los primeros experimentos de puesta en servicio (estudios realizados en parte para resolver cualquier problema en el sistema) estaban relacionados con el nuevo coronavirus.

Un experimento temprano, dirigido por el profesor James Fraser de UCSF, utilizó la capacidad de BL12-1 para examinar muestras que no están congeladas sino a temperatura ambiente para estudiar las enzimas involucradas en la replicación viral más cerca de la temperatura corporal. Otro, uno de los primeros en ejecutarse en BL12-1, fue un estudio, publicado recientemente en Ciencias por Wilson y sus colegas, de las estructuras moleculares de los anticuerpos que utiliza el sistema inmunológico para bloquear el SARS-CoV-2 y evitar que infecte las células.

"Es fantástico que hayamos podido utilizar esta línea de luz mientras se pone en servicio y, de hecho, acelerar nuestro progreso en el trabajo de COVID-19, "Dijo Wilson.

La profesora de Stanford Jennifer Cochran, el estudiante de posgrado Jack Silberstein y el científico de la SSRL Irimpan Mathews adoptaron un enfoque diferente. Están buscando medicamentos que puedan modular la respuesta del sistema inmunológico hacia arriba o hacia abajo según la fase de la enfermedad en la que se encuentre el paciente:desde el principio, y hacia abajo si hay signos de una reacción inmune exagerada. Conocer las estructuras tanto de los fármacos como de las moléculas del sistema inmunológico sobre las que actúan es fundamental para la búsqueda, Silberstein dijo:"Si no tienes una estructura, estás volando a ciegas ".

Mathews dijo que BL12-1 es pequeño, El rayo de alta intensidad les ayudó a apuntar a partes específicas de sus cristales y recopilar diferentes conjuntos de datos de los mismos cristales, acelerando su trabajo. "Me sorprendió lo fluidas que eran nuestras medidas, " él dijo.

Ponerse en marcha al refugiarse en el lugar

Tener un flujo constante de usuarios como estos, Cohen dijo:ayudó a resolver cualquier problema restante durante la fase de puesta en servicio, sobre todo porque había que hacer mucho trabajo de forma remota.

"Solo se permitió a uno o dos miembros de nuestro equipo de investigación estar en el sitio a la vez y todos los grupos de usuarios se conectaron a nuestros sistemas de forma remota para controlar sus experimentos, ", dijo." Gran parte del trabajo de resolución de problemas podría ser realizado de forma remota por nuestros programadores y científicos de apoyo. En otros casos, tendríamos mucha gente en casa asesorando a la persona en el sitio, "y los miembros del equipo SSRL rotaron dentro y fuera, algunos turnos de trabajo de noche y fin de semana para que funcione manteniendo el distanciamiento físico. "Ese, combinado con nuestros sistemas experimentales totalmente automatizados y controlados a distancia, nos dio mucha flexibilidad ".

El trabajo de COVID continúa, comenzando con más proyectos de Scripps. Meng Yuan, un asociado postdoctoral en el grupo de Wilson, dijo que están ampliando su trabajo inicial para buscar pares adicionales de anticuerpos y proteínas virales. "Tenemos una gran cantidad de cristales que examinar y una necesidad urgente de tiempo de emisión, ", dijo." La buena capacidad, respuesta rapida, y flexibilidad de Beam Line 12-1, junto con el acceso remoto, realmente han ayudado a nuestra investigación ".