A menudo, el paso más difícil para tomar imágenes con resolución atómica de moléculas biológicas es lograr que formen cristales de alta calidad necesarios para los estudios de rayos X de su estructura. Ahora los investigadores han demostrado que pueden obtener imágenes nítidas incluso con cristales imperfectos utilizandola fuente de rayos X más brillante del mundo en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.
Estos sorprendentes resultados podrían en muchos casos hacer que la búsqueda de mejores cristales sea obsoleta y cambiar fundamentalmente la forma en que los científicos estudian la compleja maquinaria biológica involucrada en la fotosíntesis, la catálisis y muchos otros procesos importantes en los seres vivos. Una mejor comprensión de estos procesos podría impulsar la innovaciónen varias áreas, desde la producción de energía limpia hasta el desarrollo de medicamentos.
"Una vez que se comprende todo el potencial del nuevo método, podría convertirse en uno de los mayores avances desde el nacimiento de la cristalografía", dijo Mike Dunne, director del láser de rayos X de Linac Coistent Light Source LCLS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Los nuevos hallazgos se publicaron en Naturaleza .
Señales entre señales
Hace más de 100 años, el físico británico nacido en Australia William Lawrence Bragg encontró una manera de usar rayos X para sondear el interior de los cristales, que consisten en matrices regulares de átomos o moléculas. Este descubrimiento lanzó el campo de los rayos XCristalografía, una de las técnicas más importantes para analizar las estructuras de materiales, procesos químicos y moléculas biológicas.
Por ejemplo, el método ha tenido un gran éxito en la determinación de las estructuras atómicas de las proteínas y el brillo de la función de las proteínas. Hasta la fecha, se han determinado más de 100,000 estructuras de proteínas con cristalografía de rayos X, que requiere muchas copias de una proteína paraser incorporado en un solo cristal.
Cuando los rayos X atraviesan el cristal, se dispersan de las moléculas de proteína y forman un patrón en un detector. Este patrón de difracción está dominado por puntos brillantes conocidos como picos de Bragg, y los investigadores usan estos puntos para reconstruir la estructura atómica delmoléculas.
Un cristal perfectamente ordenado no produciría más que picos de Bragg. Sin embargo, el trastorno limita el número de picos detectables y, por lo tanto, la resolución de la imagen molecular que se puede obtener solo de los picos.
El trastorno también produce patrones de ondulación suave entre y más allá de los picos agudos de Bragg. Si bien estos patrones, conocidos como "difracción continua", se han estudiado activamente, no se los consideró capaces de producir imágenes moleculares de alta resolución.
"Ahora hemos demostrado que en realidad podemos usar la difracción continua de cristales imperfectos para obtener mejores imágenes moleculares que solo con los picos de Bragg", dijo Kartik Ayyer, autor principal del estudio del Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL en el centro de investigación alemán DESY.
Los investigadores aplicaron su método a los cristales del fotosistema II, una gran máquina de proteínas involucrada en la fotosíntesis, y descubrieron que la combinación de información de señales Bragg y no Bragg producía imágenes de mayor resolución con detalles significativamente más estructurales que las imágenes obtenidas con elmétodo convencional de solo Bragg.
Cristalografía cumple con imágenes de una sola partícula
El estudio muestra que la difracción continua de los cristales del fotosistema II proviene de moléculas en la red cristalina que se han desplazado fuera de sus posiciones ideales tan poco como el ancho de un solo átomo. Los rayos X que se dispersan de estas moléculas desplazadas se combinan para formarformar el patrón continuo observado en lugar de los picos de Bragg.
"Ya sabemos cómo analizar estas señales", dijo el científico de CFEL Henry Chapman, investigador principal del estudio. "Lo especial de la difracción continua es que contiene significativamente más información sobre la estructura molecular que la que se puede medir usandoBragg alcanza su punto más alto. Esto cambia por completo nuestra capacidad para determinar las estructuras de estas grandes y complejas máquinas biológicas de una tarea casi imposible a un problema solucionable ".
Un beneficio claro de la técnica es que permite a los investigadores, en principio, reconstruir la estructura atómica de una biomolécula desde cero, sin conocer de antemano la ubicación de algunos de sus átomos o la estructura de una proteína similar como punto de partida.eliminar un cuello de botella importante
"La técnica es un matrimonio muy elegante entre dos enfoques: difracción de rayos X de cristales e imágenes de rayos X de partículas individuales", dijo Ilme Schlichting del Instituto Alemán Max Planck de Investigación Médica, que no participó en el estudio"Utiliza lo mejor de ambos mundos"
El enfoque también podría ser un trampolín hacia la obtención de imágenes moleculares de partículas individuales, dijo. Este ha sido un objetivo clave de la ciencia moderna de rayos X, ya que permite mediciones de la gran cantidad de especímenes biológicos que no pueden cristalizarse fácilmente.Sin embargo, las moléculas individuales producen intensidades de difracción notoriamente débiles, y también es un desafío determinar las orientaciones moleculares individuales, un requisito previo para este tipo de estudio. Tener múltiples copias de una molécula en la red de cristales imperfectos resuelve ambos problemas.
Nuevo enfoque con perspectivas prometedoras
El enfoque promete cambiar drásticamente la forma en que los científicos explotan los láseres de rayos X para estudios biológicos, y actualmente se está evaluando su aplicación más amplia. Queda por ver si la técnica también se puede usar en instalaciones de sincrotrón - X-fuentes de luz de rayos que son menos potentes pero mucho más extendidas que los rayos X.
"Dado que la luz de LCLS es tan brillante, nuestros datos podrían tomarse muy rápidamente y en cristales muy pequeños", dijo el investigador y coautor de LCLS, Sébastien Boutet. "El mismo experimento en un sincrotrón probablemente sea más difícil porquerequeriría exposiciones más largas a los rayos X, lo que aumenta el riesgo de daño a la muestra, y también requiere cristales más grandes que tienen más probabilidades de mostrar un trastorno no deseado adicional ".
Aunque los investigadores han demostrado su método solo en el fotosistema II, confían en que también funcionará para otras biomoléculas. Schlichting está de acuerdo. "El tipo de trastorno utilizado en esta investigación ocurre con frecuencia", dijo.acercarse a una herramienta extremadamente valiosa "
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Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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