Det finns en ny ljuspunkt vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource:Beam Line 12-1, en experimentstation för att bestämma strukturerna för biologiska makromolekyler med röntgenstrålar med hög briljans. Forskare från hela landet använder det för att undersöka atomstrukturen och funktionen hos olika komponenter i SARS-CoV-2, viruset som orsakar COVID-19.

Den nya strållinjen vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory kombinerar en extra ljus, tätt fokuserad röntgenstråle med robotik, automatisering, full fjärråtkomst och databehandlingssystem för att utöka typerna av makromolekyler forskargrupper kan studera och låta dem köra experiment snabbare än tidigare och från sina hemlaboratorier.

Under bara de första månaderna av driften, forskare från Stanford University, Scripps Research Institute, University of California, San Francisco och California Institute of Technology har använt den nya strållinjen för att studera proteiner som tros vara centrala för SARS-CoV-2-infektion.

Bland resultaten finns nya ledtrådar om hur antikroppar blockerar infektion och hur läkemedel kan modulera immunsystemet så att det reagerar starkt vid behov samtidigt som man undviker överreaktioner som kan orsaka mer skada än nytta.

Den nya strålkonstruktionen finansierades av Stanford University, Scripps Research Institute, flera privata stiftelser genom Stanford University inklusive Gordon och Betty Moore Foundation, och National Institutes of Health. I BL12-1, sa Scripps professor Ian Wilson, SSRL har en av de mest avancerade "mikrofokus" röntgenstrålarna i världen. "Vi kommer att kunna använda mindre kristaller, samla in data av högre kvalitet, få ett bättre signal-brus-förhållande och samla in fler datamängder per timme "än någonsin tidigare, Sa Wilson.

BL12-1 startade användarverksamhet efter att covid-19-pandemin skyddade på plats, sa Aina Cohen, en senior forskare från SSRL som leder verksamheten vid BL12-1, och som ett resultat har den gjort nästan helt COVID-relaterad forskning hittills, inklusive ett antal studier från Wilsons grupp. Men när skyddet på plats börjar lyfta, andra projekt kommer att komma in, Hon sa, "och de kommer också att dra nytta av att använda de avancerade funktionerna i BL12-1."

Blir stor med mindre balkar

En av BL12-1:s nyckelfunktioner är dess mycket små strålstorlek, med ett vertikalt fokus på 5 mikron, och hög ljusstyrka i förhållande till andra strållinjer som ägnas åt strukturell molekylärbiologi och röntgenmakromolekylär kristallografi. Det lilla, intensiv stråle kommer att vara särskilt användbart när man studerar molekyler för vilka det är svårt eller tidskrävande att odla stora kristaller-i allmänhet, Det är lättast att extrahera användbar information när strålens storlek är i nivå med själva kristallens storlek.

Denna lilla strålstorlek har redan visat sig vara mycket viktig för COVID-19-forskning, sa Christopher Barnes, en postdoktor i Pamela Bjorkmans grupp på Caltech. Barnes studerar strukturen för SARS-CoV-2-antikroppar, inklusive hur och var de binder till viruset - och han försöker göra det så snabbt han kan.

"På grund av hastigheten på dessa projekt, vi gjorde inte kristallerna lika enhetliga som vi brukar göra, "Barnes sa, så de behövde en stråle som kan fokusera på mindre, jämnare fläckar i kristallerna. "Detta kan bara uppnås med en mikrofokusstråle som BL12-1, " han sa.

Dessutom, BL12-1 har nytt, snabbare datainsamlingssystem, robotik som fjärrväxlar ut prover och experimentella inställningar snabbare än tidigare, och förmågan att utföra seriell kristallografi, där mycket små kristaller skjuts in i strålen efter varandra, ger forskare en fullständig bild av proteinerna i dessa kristaller utan att behöva odla en enda, större. Vad mer, allt detta kan utföras på distans från användarnas hemlaboratorier, en viktig fördel under denna period av begränsad resa och social distans.

Hastighet och flexibilitet vid coronavirusets tid

Starten av den nya strållinjen stod inför ett ovanligt hinder:Arbetet med den stannade till stor del efter att order om skydd på plats trädde i kraft, och mycket av den slutliga testningen var inte klar förrän i april. Även då, det fanns snäva restriktioner för antalet personal som kunde komma till labbet för att slutföra arbetet med strålningshårdvara och testa system, så de första idrifttagningsexperimenten - studier som delvis utförts för att räkna ut eventuella knäckar i systemet - var relaterade till det nya coronaviruset.

Ett tidigt experiment, ledd av UCSF -professor James Fraser, använde BL12-1:s förmåga att undersöka prover som inte är frysta men vid rumstemperatur för att studera enzymer som är involverade i viral replikation närmare kroppstemperaturer. En annan-en av de första som körde på BL12-1-var en studie, nyligen publicerad i Vetenskap av Wilson och kollegor, av molekylstrukturerna av antikroppar som immunsystemet använder för att blockera SARS-CoV-2 från att infektera celler.

"Det är fantastiskt att vi har kunnat använda den här strållinjen medan den tas i drift och faktiskt påskynda våra framsteg i arbetet med COVID-19, "Sa Wilson.

Stanford professor Jennifer Cochran, doktoranden Jack Silberstein och SSRL -forskaren Irimpan Mathews tog ett annat tillvägagångssätt. De letar efter läkemedel som kan modulera immunsystemets svar upp eller ner beroende på vilken fas av sjukdomen en patient befinner sig i - tidigt upp, och ner om det finns tecken på en immunöverreaktion. Att känna till strukturerna för både läkemedlen och immunsystemmolekylerna de verkar på är avgörande för sökningen, Silberstein sa:"Om du inte har en struktur, du flyger blind. "

Mathews sa att BL12-1 är liten, högintensitetsstråle hjälpte dem att rikta in specifika delar av sina kristaller och samla in olika datamängder från samma kristaller, påskynda deras arbete. "Jag blev förvånad över hur smidiga våra mått var, " han sa.

Startar när man skyddar på plats

Med en stadig ström av användare som dessa, Cohen sa, hjälpte till att räkna ut eventuella kvarstående knäckar under idrifttagningsfasen, särskilt eftersom så mycket arbete måste göras på distans.

"Endast en eller två medlemmar i vårt forskargrupp fick vara på plats åt gången och alla användargrupper som är anslutna till våra system på distans kan styra sina experiment, "sa hon." Mycket av felsökningsarbetet kunde utföras på distans av våra programmerare och supportforskare. I andra fall, vi skulle ha många människor hemma som rådde personen på plats, "och SSRL -gruppmedlemmar roterade in och ut, några arbetspass natt- och helgskift för att få det att fungera samtidigt som man behåller fysisk distans. "Den där, kombinerat med våra helautomatiska och fjärrstyrda experimentella system, gav oss mycket flexibilitet. "

COVID -arbetet fortsätter, börjar med fler projekt från Scripps. Meng Yuan, en postdoktor i Wilsons grupp, sa att de utökar sitt första arbete med att titta på ytterligare par antikroppar och virala proteiner. "Vi har ett stort antal kristaller som ska screenas och ett akut behov av stråltid, "sa han." Den goda kapaciteten, snabbt svar, och flexibilitet för Beam Line 12-1, tillsammans med fjärråtkomst, har verkligen hjälpt vår forskning. "