Kryoelektronmikroskopi (cryo-EM) – som möjliggör visualisering av virus, proteiner, och andra biologiska strukturer på molekylär nivå - är ett viktigt verktyg som används för att främja biokemisk kunskap. Nu har Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forskare utökat cryo-EMs inverkan ytterligare genom att utveckla en ny beräkningsalgoritm som var avgörande för att konstruera en 3D-modell i atomskala av bakteriofag P22 för första gången.

Över 20, 000 tvådimensionella kryo-EM-bilder av bakteriofag P22 (även känd som P22-viruset som infekterar den vanliga bakterien Salmonella) från Baylor College of Medicine användes för att göra modellen. Resultaten publicerades av forskare från Baylor College of Medicine, Massachusetts Institute of Technology, Purdue University och Berkeley Lab i Proceedings of the National Academies of Sciences tidigare i mars.

"Detta är ett bra exempel på hur man kan utnyttja elektronmikroskopiteknik och kombinera den med nya beräkningsmetoder för att bestämma en bakteriofags struktur, sa Paul Adams, Berkeley Labs divisionsdirektör för Molecular Biophysics &Integrated Bioimaging och medförfattare till artikeln. "Vi utvecklade algoritmerna - beräkningskoden - för att optimera atommodellen så att den bäst passar experimentdata."

Pavel Afonine, en Berkeley Labs beräkningsforskare och medförfattare till papper, tog ledningen i att utveckla algoritmen med hjälp av Phenix, en mjukvarusvit som traditionellt används inom röntgenkristallografi för att bestämma makromolekylära strukturer.

Den framgångsrika återgivningen av bakteriofag P22:s 3D-modell i atomskala tillåter forskare att kika in i virusets proteinhölje i upplösning. Det är kulmen på flera års arbete som tidigare gjort det möjligt för Baylor College-forskare att spåra det mesta av proteinets ryggrad, men inte de fina detaljerna, enligt Corey Hryc, co-första författare och doktorand av Baylor biokemi professor Wah Chiu.

"Tack vare denna utsökta strukturella detalj, vi har bestämt proteinkemin för P22-viruset, " sade Chiu. "Jag tror att det är viktigt att vi tillhandahåller detaljerade anteckningar med strukturen så att andra forskare kan använda den för sina framtida experiment, ", tillade han. Chius labb har använt kryo-EM och datorrekonstruktionstekniker för att bygga 3D-molekylära strukturer i nästan 30 år.

Och fynden kan också ha värdefulla biologiska implikationer.

Tack vare 3D-modellen i atomskala, det är nu "möjligt att se interaktionerna mellan delarna som utgör P22-viruset, som är avgörande för att göra det stabilt, " sade Adams. Detta hjälper forskare att ta reda på hur man gör kemikalier som kan binda till vissa proteiner. Adams understryker att förmågan att förstå atomernas konfiguration i molekylärt rymden kan användas för att generera nya insikter i läkemedelsdesign och utveckling.