För utveckling av nya läkemedel, noggrann kunskap om biologiska processer i kroppen är en förutsättning. Här spelar proteiner en avgörande roll. Vid Paul Scherrer Institute PSI, röntgenfri-elektronlasern SwissFEL har nu, för första gången, riktade sitt starka ljus mot proteinkristaller och gjorde deras strukturer synliga. Röntgenlaserns speciella egenskaper möjliggör helt nya experiment där forskare kan se hur proteiner rör sig och ändrar form. Den nya metoden, vilket i Schweiz endast är möjligt på PSI, kommer att hjälpa till i den framtida upptäckten av nya läkemedel.

Mindre än två år efter att röntgenfrielektronlasern SwissFEL startade sin verksamhet, PSI forskare, tillsammans med det schweiziska företaget leadXpro, har framgångsrikt genomfört sitt första experiment med det för att studera biologiska molekyler. Med det har de uppnått ytterligare en milstolpe innan denna nya PSI stora forskningsanläggning blir tillgänglig för experiment, i början av 2019, till alla användare från akademi och industri. SwissFEL är en av endast fem anläggningar i världen där forskare kan undersöka biologiska processer i proteiner eller proteinkomplex med högenergiröntgenlaserljus.

"I framtiden, de extremt korta röntgenljuspulserna av SwissFEL gör att vi här på PSI kan fånga inte bara strukturen hos molekyler, men också deras rörelse, " säger PSI-fysikern Karol Nass, som ledde experimentet. "Det kommer att göra det möjligt för oss att observera och förstå många biologiska processer från ett helt annat perspektiv."

Detta öppnar nya möjligheter för framför allt läkemedelsforskning. Michael Hennig, VD för bioteknikföretaget leadXpro, är övertygad om det. Företaget, med huvudkontor i Park innovaare vid PSI, undersöker strukturen hos vissa proteiner som tar viktiga funktioner i cellmembranet och därför är lämpliga mål för läkemedel. Det är därför han redan har i detta första biologiska experiment vid den nya SwissFEL-anläggningen, noggrant undersökt ett membranprotein som spelar en viktig roll vid cancer.

Lyser ett ljus in i det okända

Membranproteiner är involverade i många biologiska processer i kroppen och är därför nyckeln till nya behandlingsmöjligheter; flera Nobelpriser har redan delats ut till forskare som har studerat dem. De är proteinmolekyler som är fast integrerade i cellmembranet och ansvarar för kommunikationen mellan celler och deras omgivning. När ett läkemedel dockar på dem, till exempel, de ändrar form och sänder därvid en signal in i cellens inre. Det påverkar cellmetabolismen och andra cellulära funktioner. Många läkemedel som används idag fungerar redan via membranproteiner.

Dock, inte mycket är känt i detalj om vilka förändringar agenterna utlöser där. "Du vet vilket medel som är bindande och vilka effekter det orsakar, ändå överförs signalerna genom strukturella förändringar av proteinet. Vad exakt dessa är, vi kan bara gissa, " säger Hennig. "Med SwissFEL, vi vill bättre förstå denna ultrasnabba dynamik som läkemedel kopplar till membranproteiner med, såväl som de tillhörande mekanismerna." Med denna kunskap, forskarna hoppas, nya och mer riktade medel mot sjukdomar kan utvecklas, och biverkningar kan minimeras.

Superlativ stroboskop

För att göra strukturen av komplexa proteiner synlig, Forskare har hittills använt en metod där de tittar på proteiner med hjälp av en anläggning som producerar synkrotronljus – även på PSI. För denna metod, proteiner framställs så att de är tillgängliga i kristallin form, det är, arrangerade i en regelbunden gallerstruktur. När röntgenljuset från en synkrotron träffar dem, detta ljus sprids vid kristallgittret och fångas upp av en detektor.

Detektorn levererar sedan data till en dator för en tredimensionell bild av proteinstrukturen. Denna grundprincip tillämpas även på SwissFEL. Jämfört med en synkrotron, fastän, SwissFEL skickar röntgenblixtar med miljarder gånger högre intensitet i mycket korta intervaller, upp till 100 blixtar per sekund. Dessa förstör kristallerna efter varje blixt. Därför måste så många som hundratusentals kristaller av ett protein successivt föras in i röntgenstrålen. Varje blixt som träffar ett protein, precis innan du förstör den, producerar ett spridningsdiagram vid detektorn. Detta analyseras av komplex programvara som körs på högpresterande datorer och beräknas sedan till en struktur. Eftersom pulserna är ofattbart korta, även mycket snabba molekylära rörelser kan göras synliga som i slow motion.

Högsta upplösning tack vare PSI-detektor

Jungfrau-16M-detektorn på SwissFEL är den nyaste och största detektorn i världen för undersökning av biomolekyler med röntgenlaser. Forskare vid PSI ägnade mer än fem år åt att utveckla 16-M-detektorn specifikt för denna applikation. Den färdigställdes i juni 2018. Sedan tog det bara två månader innan den framgångsrikt kunde demonstrera sin förmåga – med detta första biomolekylexperiment på SwissFEL. "Den här detektorn är något speciellt, " säger PSI-fysikern Nass. "Den har en låg brusprestanda och ett mycket högt dynamiskt omfång, och som ett resultat kan den spela in en mycket större bandbredd av intensiteter." Detta är som en kamera som kan bearbeta mycket stora ljus-mörker skillnader. Denna egenskap är särskilt viktig för mätningar på SwissFEL på grund av dess extremt höga ljusintensitet.

Förutom den mycket känsliga detektorn, biologiska forskare vid SwissFEL uppskattar möjligheten att analysera mycket mindre kristaller än vid en synkrotron. Denna aspekt är också intressant ur ett ekonomiskt perspektiv, Hennig finner, eftersom beroende på protein, att hitta en procedur för att odla kristaller från den kan vara extremt tidskrävande. "För vissa proteiner, tills nu, endast små kristaller kunde produceras. Nu kan vi studera dessa på SwissFEL. På så sätt sparar vi enormt mycket tid som annars skulle behövas för att optimera kristallen, så vi får resultaten snabbare."

För leadXpro, samarbetet med PSI, inklusive tillgång till den stora forskningsanläggningen SwissFEL, är en win-win-situation där kompetensområdena perfekt kompletterar varandra. Redan i detta pilotexperiment, en leadXpro-forskare kristalliserade proteinerna och förberedde dem för analys i ordning, sedan, att tillsammans undersöka dem med PSI-forskare vid SwissFEL. Hennig tillägger:"Med våra experiment, vi visar att på SwissFEL, samtidigt med grundforskning, det är möjligt att göra tillämpad läkemedelsforskning som kommer patienterna till nytta." En dag, som ett resultat, medel bör upptäckas som leder till stora förbättringar i behandlingen av sjukdomar – genom att påverka små rörelser i proteinerna.