Berkeley Labs forskare, i samarbete med forskare från SLAC National Accelerator Laboratory och Max Planck Institute, har visat att fluktuationsröntgenspridning kan fånga beteendet hos biologiska system i oöverträffad detalj.

Även om denna teknik först föreslogs för mer än fyra decennier sedan, dess implementering hindrades av bristen på tillräckligt kraftfulla röntgenkällor och tillhörande detektorteknik, exempel på leveransmetoder, och medlen för att analysera data. Teamet utvecklade ett nytt ramverk för matematiska och dataanalyser som tillämpades på data erhållna från DOE:s Linac Coherent Light Source (LCLS) vid SLAC. Detta genombrott rapporterades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Att förstå hur proteiner fungerar på atomnivå gör det möjligt för forskare att konstruera ny funktionalitet, som effektiv produktion av biobränslen, eller att designa läkemedel för att blockera ett proteins funktion helt och hållet. För detta ändamål, tredimensionella molekylära avbildningsmetoder som röntgenkristallografi och kryoelektronmikroskopi ger kritiska högupplösta strukturella insikter. Dock, dessa metoder är inte väl lämpade för att fånga dynamiken hos proteiner i deras naturliga miljö. Därför, forskare kompletterar ofta modeller som härrör från kristallina eller kryogent frysta prover med data från en teknik som kallas röntgenlösningsspridning som gör att de kan studera proteiner vid rumstemperatur, under fysiologiskt relevanta förhållanden.

Standardlösningsspridning har dock sina begränsningar:Under den tid det tar att registrera ett röntgenlösningsspridningsmönster, proteinmolekylerna snurrar och rör sig mycket snabbt.

"Detta resulterar i vad som i huvudsak är en enorm mängd rörelseoskärpa i den inspelade datan från vilken endast få detaljer kan härledas tillförlitligt, " förklarade Peter Zwart, en stabsforskare vid avdelningen Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) och medlem av Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) vid Berkeley Lab.

Undviker rörelseoskärpa

För att övervinna dessa problem, Zwart och andra CAMERA-forskare, inklusive Kanupriya Pande (MBIB) och Jeffrey Donatelli (Computational Research Division), har ägnat de senaste åren åt att utveckla ett nytt tillvägagångssätt baserat på att analysera vinkelkorrelationerna mellan intensiva, ultrakorta röntgenpulser spridda från makromolekyler i lösning. Dessa ultrakorta pulser undviker rörelseoskärpa och resulterar i betydligt mer information, ger bättre resultat, mer detaljerade tredimensionella modeller.

"En av fördelarna med fluktuationsspridning är att vi inte behöver arbeta med en partikel i taget, men kan använda spridningsdata från många partiklar samtidigt, " sa Pande. Detta möjliggör en mycket effektivare experimentell design, behöver bara några minuters stråletid istället för flera timmar eller dagar som normalt förknippas med röntgenspridningsmetoder för en enda partikel.

En serie ny matematik och algoritmer utvecklade av CAMERA var avgörande för experimentets framgång. "Teorin bakom fluktuationsspridning är mycket komplex och data från experimentet är mycket mer komplicerad än traditionell lösningsspridning. För att få detta att fungera, vi behövde nya metoder för att korrekt bearbeta och analysera data, " sa Donatelli. Dessa inkluderade en sofistikerad brusfiltreringsteknik, vilket ökade signal-brusförhållandet för data med flera storleksordningar.

"Fem år sedan, fluktuationsspridning var i grunden bara en bra idé, utan att ange om det var praktiskt genomförbart eller om man kunde härleda någon strukturell information från sådana uppgifter, sade Zwart. Sedan dess, teamet har utvecklat matematiska verktyg för att bestämma strukturen från dessa data och demonstrerat sina algoritmer på idealiserade experimentella data från en enda partikel per skott.

I det senaste arbetet, Zwart och hans kollegor slog sig ihop med forskare från Max Planck Institute för att demonstrera den praktiska genomförbarheten av dessa experiment under mer realistiska förhållanden. Författarna studerade viruset PBCV-1 och kunde få en mycket högre detaljnivå jämfört med standardlösningsspridning.

"Förhoppningen är att denna teknik i slutändan kommer att tillåta forskare att visualisera detaljer om strukturell dynamik som kan vara otillgänglig med traditionella metoder, ", sa Zwart. Författarnas planer för den närmaste framtiden är att utvidga denna metod till tidsupplösta studier av hur proteiner ändrar sin form och konformation när de utför sin biologiska funktion.