Una comprensión integral de las nanoestructuras complejas, como las proteínas y los virus, podría conducir a avances en algunos de los problemas más desafiantes en biología y medicina. Pero debido a que estos objetos son mil veces más pequeños que el ancho del cabello humano, los científicos puedenNo los vea directamente para determinar su forma y función.
Para visualizar la estructura de las proteínas en su entorno nativo, los científicos pueden emitir poderosos rayos de rayos X a pequeños volúmenes de proteínas en solución. Los 'patrones de difracción' resultantes pueden interpretarse para determinar o reconstruir información sobre elestructura molecular de la proteína. Sin embargo, las técnicas de dispersión de soluciones tradicionales a menudo están limitadas por la cantidad de detalles estructurales que pueden extraer. A medida que las fuentes de luz más brillantes y poderosas se conectan, los investigadores están ideando nuevas formas de superar estas limitaciones. En particular, una técnica emergente conocida comoLa dispersión de rayos X por fluctuación FXS podría proporcionar órdenes de magnitud más detallados que la dispersión de solución tradicional. Hasta ahora, una limitación importante para FXS ha sido la falta de métodos matemáticos para interpretar eficientemente los datos.
En un artículo publicado el 3 de agosto de 2015 en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Laboratorio de Berkeley aplicó a los matemáticos Jeffrey Donatelli y James Sethian, y el biocientífico físico Peter Zwart ha introducido una nueva teoría matemática y un algoritmo, que denominan "Fase iterativa multinivel M-TIP",resuelva el problema de reconstrucción a partir de datos FXS. Su código puede determinar rápidamente la estructura general en solo unos minutos en una computadora de escritorio. Este enfoque es un paso importante para abrir la puerta a nuevos avances en biofísica y promete introducir nuevas herramientas paraayudar a resolver algunos de los problemas más desafiantes en las ciencias de la vida.
"Estos son tiempos emocionantes", dice Zwart, quien es miembro de la División de Biociencias Físicas en Berkeley Lab. "Aunque la dispersión de la fluctuación se propuso por primera vez hace 38 años, su realización práctica de rutina solo ahora se ha hecho factible con el advenimiento de lo modernoFuentes de luz de rayos X. Este novedoso método de reconstrucción juega un papel central en el mapeo de las fuerzas de la dispersión de fluctuación como una técnica biofísica de rutina ".
Superando las limitaciones de la imagen tradicional
Con los avances en la tecnología de fuente de luz, la difracción se puede hacer de muchas maneras diferentes. Si las partículas se pueden organizar en cristales suficientemente grandes, su estructura se puede determinar mediante cristalografía, que consiste en disparar rayos X a través de un cristal. Pero, muchoslas estructuras importantes son demasiado flexibles para sucumbir a la cristalización y pueden tener una estructura diferente en solución en comparación con lo que se determina a partir de la cristalografía.
Como técnica alternativa y complementaria, los biólogos estructurales a menudo recopilan patrones de difracción de partículas en solución. Sin embargo, en estos llamados experimentos de dispersión de rayos X de ángulo amplio y pequeño SAXS / WAXS, las partículas pueden rotar durante la formación de imágenes, queda como resultado una pérdida de información y a menudo conduce a una reconstrucción deficiente de la estructura desconocida.Esto es análogo a una foto de un niño en un carrusel tomada con un tiempo de exposición demasiado largo: la imagen está borrosa y los detallesEsta perdido.
Una solución para superar las limitaciones de SAXS / WAXS es construir fuentes de luz más rápidas y brillantes que puedan `` tomar una foto '' mucho más rápido que este tiempo de difusión rotacional. Esta es la promesa de nuevas instalaciones del DOE que dependen de láseres de electrones libresFEL, como la Fuente de luz coherente de Linac LCLS en Stanford.Se ha sugerido extraer información adicional de correlación angular a través de una técnica conocida como dispersión de rayos X por fluctuación FXS para reconstruir más detalles estructurales del objeto con imagen.Sin embargo, resolver el problema inverso de usar este tipo de información para determinar la estructura molecular es un desafío, y hasta ahora ha sido un gran obstáculo.
Descifrando FXS con M-TIP
Parte del desafío de generar un modelo a partir de datos de dispersión de fluctuación se debe al hecho de que, a diferencia de la imagen difractiva estándar que mide las intensidades de difracción y solo requiere recuperar las fases complejas faltantes, la inversión de datos FXS requiere la recuperación de la intensidad tridimensionalinformación también.
El nuevo algoritmo `` M-TIP '' del equipo proyecta alternativamente un modelo para estar de acuerdo con los datos FXS junto con cualquier restricción previa conocida sobre la solución, como los límites superior e inferior de densidad, tamaño y / o simetría, y puededeterminar simultáneamente las intensidades, fases complejas y estructura molecular.
"Para desarrollar un algoritmo de reconstrucción FXS robusto y eficiente, tuvimos que resolver una serie de problemas matemáticos no triviales", dice Donatelli, de la División de Ciencias de la Computación de Berkeley Lab. "Derivar la relación entre la estructura y los datos FXS implica una considerablecantidad de análisis armónico y álgebra lineal, y también necesitábamos desarrollar varias herramientas informáticas nuevas, como una transformada de Fourier polar rápida y confiable ".
Dado que FXS sigue siendo una técnica relativamente nueva, no hay conjuntos de datos experimentales en el dominio público. Para compensar la falta de dichos datos, Donatelli, Sethian y Zwart probaron su método en datos FXS simulados en varias formas de prueba, incluyendoun modelo de un canal iónico dependiente de ligando pentamérico pLGIC. Su algoritmo "M-TIP" fue capaz de producir rápidamente reconstrucciones precisas y de alta resolución de estas formas a partir de sus datos FXS correspondientes.
CÁMARA: Innovación a través de la ciencia interdisciplinaria
Este trabajo es parte de un nuevo proyecto emprendido por CAMERA El Centro de Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación de Energía. CAMERA es un esfuerzo conjunto entre la Oficina de Investigación de Computación Científica Avanzada del DOE y la Oficina de Ciencias de la Energía Básica. Dirigido por Sethian,CAMERA reúne a matemáticos, científicos experimentales, informáticos e ingenieros de software para desarrollar y entregar nuevas herramientas y software matemáticos a los desafíos de datos e imágenes en las instalaciones del DOE, incluido el trabajo en fuentes de luz sincrotrón y centros de investigación en nanociencia.
"Las fuentes de luz del DOE ofrecen un entorno rico para abordar problemas matemáticos maravillosos cuyas soluciones pueden tener un gran impacto en la ciencia de rápido movimiento", dice Sethian. "La combinación de la visión de Zwart sobre el problema con el trasfondo de Donatelli en el análisis armónico y los algoritmos de fase iterativa establecen elescenario para una nueva forma de pensar sobre la reconstrucción a partir de datos FXS ".
El futuro de FXS
Beamtime en el LCLS se otorgó recientemente a los autores como parte de una gran colaboración multiinstitucional para recopilar datos FXS de varias muestras biológicas diferentes. Esto permitirá a los investigadores la oportunidad de probar y, si es necesario, ajustar sus técnicas de reconstrucción endatos experimentales.
"En última instancia, el objetivo es proporcionar a la comunidad científica una herramienta nueva y poderosa para determinar la estructura y la dinámica de las partículas de tamaño nanométrico de manera rutinaria y de alto rendimiento", dice Zwart. "El despliegue completo de FXS como un nuevoLa herramienta en el arsenal del biólogo estructural llevará algún tiempo, pero este es un avance importante ".
Los investigadores enfatizan que los datos FXS también se pueden recolectar usando una fuente de luz sincrotrón ultrabrillante de partículas congeladas criogénicamente en su lugar. Los Institutos Nacionales de Salud recientemente otorgaron a Zwart y a sus compañeros de trabajo un nuevo detector para el desarrollo de este método en fuentes de luz sincrotrón.
"Los avances recientes en detectores, fuentes de rayos X y óptica traen dispersión de fluctuación de máquinas macromoleculares grandes congeladas criogénicamente al alcance práctico de los sincrotrones modernos", dice Steven Kevan, Director Adjunto de Ciencia en la Fuente de Luz Avanzada ALS de Berkeley Lab."Estamos ansiosos por el desarrollo de esta técnica en Advanced Light Source".
Los investigadores señalan que aunque el método que desarrollaron se ha aplicado a problemas específicos de las ciencias de la vida, también puede extenderse a otras aplicaciones en ciencias de los materiales y la energía. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE Oficina de AvanzadoInvestigación de Computación Científica y Oficina de Ciencias Básicas de Energía y por el Instituto Nacional de Salud. La fuente de luz avanzada es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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