Nueva investigación publicada en Métodos de la naturaleza mejorará drásticamente la forma en que los científicos "ven dentro" de las estructuras moleculares en solución, lo que permite formas mucho más precisas de obtener datos de imágenes en varios campos, desde la astronomía hasta el descubrimiento de fármacos.
El nuevo método permitirá la visualización de muchas más moléculas biológicas, proporcionando información crítica sobre lo que hay dentro de las moléculas a los científicos que actualmente solo pueden acceder a su forma externa o envoltura. Dicha información podría ser un gran impulso para los estudios de virus, porejemplo.
"Con las técnicas existentes, solo se puede ver el perfil del virus", dijo el autor Thomas D. Grant, PhD, profesor asistente de investigación en el Departamento de Biología Estructural de la Facultad de Medicina y Ciencias Biomédicas Jacobs de la Universidad de Buffaloy el Departamento de Materiales, Diseño e Innovación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB y el Instituto de Investigación Médica Hauptman-Woodward. "Este nuevo método nos permite ver el interior de la molécula del virus para comprender cómo está organizada la información genética, lo que podría dar nuevos resultados.información sobre cómo el virus inyecta esta información genética en su huésped "
Grant es el único autor del artículo, una rareza entre los artículos publicados en esta revista. Es un científico de BioXFEL Biología con láseres de electrones libres de rayos X, un Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias compuesto por ocho investigaciones estadounidenses.universidades con sede en la UB. Su misión es abordar cuestiones fundamentales en biología a nivel molecular utilizando técnicas de vanguardia, incluida la ciencia del láser de rayos X.
Resolviendo el problema de fase
El método de Grant ha resuelto el problema de fase para una técnica de determinación molecular particular llamada dispersión de solución. El problema de fase es donde la información crítica sobre la fase de una molécula se pierde durante el proceso experimental de hacer una medición física.
Explicó que la mayoría de las estructuras moleculares de hoy en día se resuelven mediante cristalografía de rayos X, donde las estructuras dispersan rayos X intensos en patrones que consisten en cientos de miles de piezas únicas de información, que se utilizan para revelar la estructura en alta resolución.
"El problema es que más del 75 por ciento de las estructuras moleculares no forman fácilmente los cristales ordenados que difractan bien", explicó Grant. "Eso significa que muchas moléculas son difíciles de visualizar en tres dimensiones".
Además, dijo, las moléculas biológicas pueden exhibir movimientos dinámicos que tienen un impacto en cómo funcionan, pero esos movimientos faltan cuando las estructuras cristalizan, lo que resulta en la pérdida de información biológica importante.
Una forma de evitar este obstáculo es utilizar una técnica llamada dispersión de solución en la que los rayos X se dispersan de las moléculas que flotan en la solución en lugar de disponerse en un cristal.
"La dispersión de la solución permite que las moléculas se muevan dinámicamente en sus estados naturales, permitiendo la visualización de dinámicas conformacionales a gran escala importantes para la función biológica", dijo Grant. "Sin embargo, a medida que las moléculas caen en solución, dispersan los rayos Xen muchas orientaciones diferentes, perdiendo la mayor parte de la información, típicamente produciendo solo de 10 a 20 piezas únicas de datos ". Hasta ahora, tan poca información solo producía contornos de baja resolución de la forma de la partícula".
Grant desarrolló un nuevo algoritmo que permite reconstruir la densidad electrónica tridimensional de una molécula, similar a una reconstrucción tridimensional del cerebro producida por una tomografía computarizada. Sin embargo, su algoritmo lo hace utilizando solo los datos unidimensionales deexperimentos de dispersión de soluciones.
como ver rasgos faciales en lugar de solo una silueta
"Por primera vez, esto nos permite 'ver dentro' de estas moléculas flotando en solución para comprender las variaciones de densidad interna en lugar de solo ver los bordes exteriores o 'envoltura' de la forma de la partícula", dijo Grant. "Como sercapaz de ver todas las características faciales de una persona en lugar de solo la silueta de su rostro, esta información adicional permitirá a los investigadores comprender mejor las estructuras moleculares en solución ".
Desarrolló el nuevo método expandiendo una técnica matemática conocida llamada "recuperación de fase iterativa". Esta es una técnica computacional que proporciona una forma de resolver el problema de fase.
Grant explicó: "El problema de la fase es similar a tener una cámara que registra con precisión todas las intensidades de cada píxel, pero codifica dónde están esos píxeles, en función de una ecuación matemática compleja. Así que te queda una imagen inútil de codificadopíxeles "
Los científicos, dijo, generalmente han trabajado para decodificar esa ecuación matemática cambiando un poco la imagen para asegurarse de que se ve aproximadamente como se espera. Por ejemplo, en una foto de paisaje, los píxeles azules que representan el cielo deberían estar naturalmente enla parte superior.
Resolver el problema de la fase es como decodificar esa ecuación, continuó Grant, y poder colocar todos los píxeles donde se supone que deben estar, reconstruir la imagen original.
"Sin embargo, este proceso cambia algunas de las intensidades, por lo que las corrige en función de la imagen codificada original que tiene", dijo. "Este método recorre este proceso de forma iterativa, mejorando gradualmente las fases con cada ciclo, en última instancia recuperando elfases finales, resolviendo el problema de la fase y reconstruyendo la imagen deseada "
El método de Grant, llamado "recuperación iterativa del factor de estructura", permite a los científicos reconstruir no solo las fases tridimensionales sino también las intensidades tridimensionales que se pierden en los experimentos de dispersión de la solución a medida que las moléculas caen al azar en la solución.
"Esta es la primera demostración de la capacidad de reconstruir objetos tridimensionales a partir de datos experimentales unidimensionales y probablemente tendrá un gran impacto en los campos de imágenes relacionados", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Buffalo . Original escrito por Ellen Goldbaum. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :