Un equipo internacional de científicos dirigido por Kartik Ayyer del MPSD ha obtenido algunas de las imágenes tridimensionales más nítidas posibles de nanopartículas de oro. Los resultados sientan las bases para la obtención de imágenes de macromoléculas de alta resolución. El estudio se llevó a cabo en el European XFEL's Single Particles, Clusters, y biomoléculas y cristalografía de femtosegundo en serie (SPB / SFX) y los resultados se han publicado en Optica .

Carbohidratos lípidos Las proteínas y los ácidos nucleicos son micromoléculas que pueblan las células y son vitales para la vida. La clave para comprender cómo funcionan estas macromoléculas radica en comprender su estructura. Usando nanopartículas de oro como sustituto de biomoléculas, el equipo midió 10 millones de patrones de difracción y los utilizó para generar imágenes en 3-D con una resolución récord. Las partículas de oro dispersan muchos más rayos X que las muestras biológicas y, por lo tanto, son buenas muestras de prueba. Proporcionan muchos más datos que los hacen muy útiles para ajustar métodos que luego pueden usarse en biomoléculas.

"Las técnicas utilizadas para obtener imágenes de alta resolución de biomoléculas incluyen cristalografía de rayos X, que requiere la cristalización de las biomoléculas, "dice Kartik Ayyer, el líder del grupo Computational Nanoscale Imaging en el MPSD. "Este no es un proceso fácil. Alternativamente, La microscopía crioelectrónica funciona con moléculas congeladas, ", añade. Sin embargo, la llegada de los láseres de electrones libres de rayos X abrió las puertas a la obtención de imágenes de partículas individuales (SPI), una técnica que tiene el potencial de producir imágenes de biomoléculas de alta resolución a temperatura ambiente y sin cristalización. Por lo tanto, las biomoléculas se pueden estudiar más cerca de su estado nativo. Esto, a su vez, produce una mejor comprensión de su estructura y función en nuestros cuerpos.

Pero quedaban dos obstáculos en SPI:recopilar suficientes patrones de difracción de alta calidad y clasificar adecuadamente la variabilidad estructural de las biomoléculas. El trabajo del equipo muestra que estas dos barreras se pueden superar, dice Kartik Ayyer:"Los experimentos SPI anteriores solo producían alrededor de decenas de miles de patrones de difracción, incluso en el mejor de los casos. Sin embargo, para obtener resoluciones relevantes para la biología estructural, los investigadores necesitan de 10 a 100 veces más patrones de difracción ", explica Ayyer." Gracias a las capacidades únicas de la instalación europea XFEL, a saber, el alto número de pulsos de láser de rayos X por segundo y la alta energía de pulso, el equipo pudo recolectar 10 millones de patrones de difracción en un solo experimento de 5 días. Esta cantidad de datos no tiene precedentes y creemos que nuestro experimento servirá como modelo para el futuro de este campo de investigación. " él dice.

Para superar el problema de la variabilidad estructural de las biomoléculas, es decir, tratar con una instantánea de cada partícula que es ligeramente diferente entre sí, los investigadores desarrollaron un algoritmo especial. Los patrones de difracción son recogidos por un detector bidimensional, muy parecido a una cámara de rayos X rápida. Luego, un algoritmo ordena los datos y permite a los investigadores reconstruir la imagen de la biomolécula. "Utilizamos las capacidades del Detector de píxeles integrador de ganancia adaptativa (AGIPD), lo que nos permitió capturar patrones a esa alta velocidad. Luego recopilamos y analizamos los datos con algoritmos personalizados para obtener imágenes con resoluciones récord, "dice Ayyer.

"Este estudio realmente aprovechó la propiedad única de la alta tasa de reposición de nuestras instalaciones, el detector de encuadre rápido y la entrega eficaz de muestras, "dice Adrian Mancuso, científico líder del grupo SPB / SFX. "Demuestra que en el futuro, European XFEL está bien situado para explorar los límites de la 'visión' para no cristalizados, biomoléculas a temperatura ambiente ".