Los científicos han utilizado Diamond Light Source para desarrollar un nuevo método para extraer información previamente oculta de los datos de difracción de rayos X que se miden al resolver las estructuras atómicas tridimensionales 3D de proteínas y otras moléculas biológicas.
Al tratar de desarrollar compuestos químicos hacia potentes candidatos a fármacos, los científicos intentan estudiar los detalles atómicos de cómo los compuestos se unen a sus proteínas objetivo. Para ello, comparan los datos de rayos X medidos tanto en presencia como en ausencia del compuesto. Sin embargo,Con los algoritmos de análisis existentes, esta señal de diferencia a menudo puede verse inundada por el ruido de los artefactos experimentales, lo que hace que sea muy poco fiable interpretar la señal observada.
El nuevo método de Análisis de densidad de conjunto de datos panorámicos PanDDA extrae la imagen del compuesto unido con detalles excepcionalmente claros e inequívocos. PanDDA primero identifica la fuente del ruido y luego la elimina de los datos. Explota la capacidad de Diamond para repetirdecenas a cientos de mediciones rápidamente, que luego se caracterizan por las diferencias entre ellas, lo que indica la presencia de compuesto unido, después de lo cual se aplica una corrección de ruido en 3D. Los resultados se publican hoy en Comunicaciones de la naturaleza .
La cristalografía macromolecular MX, la técnica a la que se aplica PanDDA, es una de las herramientas más poderosas utilizadas por los investigadores interesados en determinar las estructuras 3D de grandes moléculas biológicas, incluidas las proteínas, y es el experimento del caballo de batalla para el diseño racional de medicamentos.
"El problema de identificar eventos vinculantes en conjuntos de datos cristalográficos puede ser como buscar una aguja en un pajar", explica el Dr. Nicholas Pearce, autor principal del artículo que proviene de su proyecto de doctorado en la Universidad de Oxford en los Enfoques de sistemas paraCentro de Formación Doctoral en Ciencias Biomédicas SABS, donde fue financiado conjuntamente por UCB Pharma y Diamond. "En el caso de los datos que estábamos analizando, fue aún peor, porque teníamos cientos de pajar, y no sabíamos quéde ellos contenían agujas ". Nick ahora está basado en el Grupo de Cristal y Química Estructural de la Universidad Utrecht.
Los investigadores pudieron utilizar para su ventaja el hecho de que la mayoría de las mediciones eran de cristales 'vacíos' que no contenían un ligando unido, lo que les permitía caracterizar la forma no unida y simplemente buscar conjuntos de datos que fueran diferentes.
"A menudo en la cristalografía puede pasar por alto las formas encuadernadas 'débiles', porque cada medición es una superposición de las formas encuadernadas y no unidas", continúa el Dr. Pearce. "Esto es similar a varias hojas de papel de calco, cada una con al menos una dedos imágenes, todas superpuestas una encima de la otra ".
"Al tratar de identificar la imagen en solo una de las 'hojas', se confunde con lo que se ve en todas las otras hojas, por lo que la imagen se vuelve susceptible a errores de interpretación", agrega el Dr. Pearce. "Para superar esto,desarrollamos un método para extraer el conjunto correcto de 'hojas' de la superposición; una vez que lo hicimos, interpretar la forma encuadernada se vuelve mucho más fácil y nos permite interpretar con confianza los datos y construir modelos de los estados interesantes en eldatos."
"La idea básica es conceptualmente muy simple, es decir, tratar la confusa superposición como un problema de corrección de fondo", explica el profesor Frank von Delft, investigador principal conjunto del grupo de Cristalografía de proteínas en el Consorcio de Genómica Estructural SGC en la Universidadde Oxford, y el científico principal de Beamline de la línea de luz I04-1 en Diamond. "Sin embargo, una estimación precisa del trasfondo es crucial, y en la práctica esto era impensable hasta el advenimiento de la nueva tecnología robótica ofrecida por Diamond, que la hace rutinariapara hacer un gran número de mediciones "
"UCB está encantado de haber trabajado estrechamente con Diamond en el desarrollo de PanDDA y su aplicación para la detección de fragmentos cristalográficos", comenta el Dr. Neil Weir, Vicepresidente Senior de Discovery en UCB Pharma. "Como resultado directo, hemos estadocapaz de identificar fragmentos, que de otro modo no se distinguirían del fondo, unidos a un objetivo clave del fármaco de interacción proteína-proteína ".
La investigación involucró la producción de alrededor de 860 conjuntos de datos, de los cuales solo 75 contienen una forma ligada de interés para los investigadores ". Aunque es de aplicación general en MX, el método es particularmente transformador para una versión del experimento MX llamada detección de fragmentos, donde los efectosque estamos buscando son muy raros e incluso más difíciles de verificar con algoritmos convencionales ", continúa von Delft.
Una coda crucial para el trabajo fue la carga de todas las estructuras al Protein Data Bank wwPDB, el repositorio en línea de estructuras 3D de proteínas y ácidos nucleicos, donde todos tienen acceso completamente libre a todas las estructuras publicadas.Los sitios anfitriones de wwPDB, RCSB PDB, desarrollaron recientemente una nueva herramienta de deposición grupal para permitir la carga masiva de estructuras, y esto fue crucial para completar esta colaboración.
El sistema RCSB PDB Group Deposition permite a los autores aprovechar las plantillas locales y PDB_extract para el procesamiento por lotes, empaquetado, carga, revisión, validación y envío con un clic de muchas estructuras a la vez. Búsqueda del título del grupo "Deposición del grupo de análisis PanDDA"a rcsb.org devolverá estas 860 deposiciones.
"Los grupos Diamante y PDB han logrado algo bastante increíble, y estamos encantados de ayudarlos", dice Aled Edwards, Director del SGC. "También me gustaría resaltar el compromiso del equipo con la ciencia abierta. Al colocar todos losresultado de la investigación en el dominio público, se han asegurado de que todos puedan utilizar los datos "
Ahora que celebra su décimo año de investigación e innovación, Diamond se compromete a trabajar con nuestros usuarios para que puedan llevar a cabo investigaciones líderes en el mundo en las instalaciones.
"Hemos recorrido un largo camino en los últimos diez años, y colaboraciones como estas son clave para mantener nuestro lugar como una instalación clave para los investigadores que trabajan en ciencias de la vida", agrega el profesor Dave Stuart, Director de VidaSciences at Diamond. "La idea de que podemos ver claramente los eventos vinculantes débiles es particularmente emocionante y es algo que esperamos compartir con nuestra comunidad de cristalografía".
Los investigadores esperan que este nuevo método proporcione un cambio significativo en la forma en que se generan los modelos cristalográficos; abrir ventanas para explorar más cristales mal ordenados.
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