Cornells strukturbiologer tog ett nytt tillvägagångssätt för att använda en klassisk metod för röntgenanalys för att fånga något som den konventionella metoden aldrig hade tagit hänsyn till:den kollektiva rörelsen av proteiner. Och de gjorde det genom att skapa mjukvara för att mödosamt sy ihop de bitar av data som vanligtvis bortses från i processen.

Deras papper, "Diffus röntgenspridning från korrelerade rörelser i en proteinkristall, " publicerad 9 mars in Naturkommunikation .

Som strukturbiolog, Nozomi Ando, FRÖKEN. '04, Ph.D. '08, biträdande professor i kemi och kemisk biologi, är intresserad av att kartlägga proteiners rörelse, och deras inre delar, för att bättre förstå proteinfunktionen. Denna typ av rörelse är välkänd men har varit svår att dokumentera eftersom standardtekniken för att avbilda proteiner är röntgenkristallografi, som producerar i huvudsak statiska ögonblicksbilder.

"Eftersom vi studerar riktigt utmanande biologiska system, gruppen måste ofta banbryta nya strukturella metoder också, " sa postdoktorn Steve Meisburger, Ph.D. '14, tidningens huvudförfattare. "En av frågorna som vi har varit intresserade av sedan starten är hur ett proteins subtila andningsrörelser styr biokemisk funktion."

Forskarna tog med sitt projekt till Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), där de utnyttjade anläggningens Pilatus 6M pixel-array-detektor, vilket gjorde det möjligt för dem att göra mycket högupplösta bilder.

För detta arbete, som i vanlig kristallografi, Röntgenstrålar strålade mot en provkristall. Pixel-array-detektorn registrerade intensiteten av röntgenstrålar som diffrakterades av kristallens proteiner, kodar alltså atomstrukturen. Alla störningar – dvs. rörelse - inuti kristallen fick ytterligare fotoner att studsa ut, skapar en mycket svag bakgrundssignal som kallas diffus spridning. Denna information har traditionellt förkastats under databehandling.

"Fotonerna går överallt, och signalen verkar extremt svag eftersom den är spridd, sa Ando, tidningens seniorförfattare. "I årtionden, folk kunde inte mäta det exakt, och de visste inte hur de skulle tolka det."

Meisburger skapade mjukvara för att behandla de cirka 50 miljoner unika datapunkterna, vilket resulterar i en högkvalitativ tredimensionell karta. Till forskarnas stora förvåning, kartan avslöjade att en betydande del av detta diffusa spridningsmönster faktiskt var ett resultat av att proteingittret vibrerade. Denna jiggling rörelse var så dominerande, det verkade skymma all rörelse inuti proteinerna, vilket till en början var en besvikelse för forskarna.

Men efter att ha tagit hänsyn till dessa gittervibrationer i simuleringar, forskarna identifierade även interna proteinrörelser. Dessa rörelser inkluderade öppning och stängning av det aktiva stället för proteinet.

"Föreställ dig att kristallen är som en rad människor som försöker gå tillsammans medan de håller hand, men samtidigt, varje individ kanske gör något lite annorlunda, ", sa Ando. "Signalen från alla som rör sig tillsammans är dominerande, så vi kunde inte urskilja den subtila signalen som kom från individerna. Det var något som aldrig hade redovisats."

Denna nya metod för diffus spridning kan hjälpa forskare att få en tydligare bild av proteinstruktur och dynamik och, i sista hand, en bättre förståelse för biokemiska reaktioner.

"Vi vill verkligen driva detta i en riktning där många människor kan använda tekniken och lära sig något nytt om sitt protein, ", sa Meisburger. "En bra sak med det är att du får diffus spridning gratis när du gör ett vanligt kristallografiexperiment. Denna teknik lägger verkligen till information till vad du normalt skulle få."