Una colaboración internacional dirigida por DESY y compuesta por más de 120 investigadores ha anunciado los resultados de los primeros experimentos científicos en el nuevo láser europeo de rayos X XFEL europeo. El trabajo pionero no solo demuestra que la nueva instalación de investigación puede acelerar los experimentos con másademás de un orden de magnitud, también revela una estructura previamente desconocida de una enzima responsable de la resistencia a los antibióticos ". El trabajo innovador del primer equipo en usar el XFEL europeo ha allanado el camino para todos los usuarios de la instalación que se benefician enormemente de estos pionerosexperimentos ", enfatiza el director gerente europeo de XFEL, Robert Feidenhans'l." Estamos muy contentos: estos resultados muestran que la instalación funciona incluso mejor de lo que esperábamos y está lista para ofrecer nuevos avances científicos ". Los científicos presentan sus resultados, incluyendoLa primera nueva estructura proteica resuelta en el XFEL europeo, en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Al estar en una clase de instalación totalmente nueva, tuvimos que superar muchos desafíos que nadie había abordado antes", dice el científico de DESY, Anton Barty, del Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL, que dirigió el equipo de unos 125 investigadoresinvolucrado en los primeros experimentos que estuvieron abiertos a toda la comunidad científica ". Lo comparo con el vuelo inaugural de un avión nuevo: todos los cálculos y el ensamblaje se completaron, todo dice que funcionará, pero no hasta que lo pruebes, sabes sien realidad vuela "
El XFEL europeo de 3.4 kilómetros de largo está diseñado para administrar flashes de rayos X cada 0.000000 220 segundos 220 nanosegundos. Para desentrañar la estructura tridimensional de una biomolécula, como una enzima, los pulsos se utilizan para obtener flash X-exposiciones a rayos de pequeños cristales que crecen a partir de esa biomolécula. Cada exposición da lugar a un patrón de difracción característico en el detector. Si se registran suficientes patrones de este tipo desde todos los lados de un cristal, se puede calcular la estructura espacial de la biomolécula.La biomolécula puede revelar mucho sobre cómo funciona.
Sin embargo, cada cristal solo se puede radiografiar X una vez, ya que se vaporiza por el intenso destello después de que ha producido un patrón de difracción. Entonces, para construir la estructura tridimensional completa de la biomolécula, un nuevo cristal tienepara ser enviado al rayo a tiempo para el siguiente destello, rociándolo a través del láser en un chorro de agua. Nadie ha intentado obtener muestras de rayos X a resolución atómica a esta velocidad rápida antes. La frecuencia de pulso más rápida hasta ahorade cualquier láser de rayos X ha sido de 120 flashes por segundo, es decir, un flash cada 0.008 segundos u 8,000,000 nanosegundos. Para sondear biomoléculas a toda velocidad, no solo los cristales deben reponerse lo suficientemente rápido: el chorro de agua tambiénvaporizado por los rayos X y tiene que recuperarse a tiempo.
"Hemos acelerado la velocidad del chorro de agua que transporta las muestras a 100 metros por segundo, eso es casi tan rápido como el registro de velocidad en la fórmula 1", explica Max Wiedorn, quien se encargó de la entrega de la muestra junto con su colega DominikOberthür, ambos de CFEL. Una boquilla especialmente diseñada aseguraba que el chorro de alta velocidad fuera estable y cumpliera con los requisitos.
Para grabar patrones de difracción de rayos X a esta velocidad rápida, un consorcio internacional dirigido por el científico de DESY Heinz Graafsma diseñó y construyó una de las cámaras de rayos X más rápidas del mundo, hecha a medida para el XFEL europeo. El 'Pixel de integración de ganancia adaptativaDetector 'AGIPD no solo puede grabar imágenes tan rápido como llegan los pulsos de rayos X, sino que también puede ajustar la sensibilidad de cada píxel individualmente, aprovechando al máximo los delicados patrones de difracción en los que se encuentra la información sobre la estructura de la muestra"Los requisitos del XFEL europeo son tan únicos que el detector tuvo que diseñarse completamente desde cero y adaptarse a esta tarea", informa Graafsma, que dirige el grupo de detectores en la división de ciencias de fotones de DESY y también es profesor en MidUniversidad de Suecia: "Esto solo se pudo lograr gracias a la amplia experiencia y la fructífera colaboración del gran equipo involucrado".
Los científicos primero determinaron la estructura de una muestra muy conocida, la enzima lisozima de clara de huevo, como una piedra de toque para verificar que el sistema funcionó como se esperaba. De hecho, la estructura derivada del XFEL europeo coincide perfectamente con la estructura de lisozima conocida, que muestra detalles tan finos como 0,18 nanómetros millonésimas de milímetro.
"Esta es una excelente prueba del rendimiento del láser de rayos X", subraya el pionero de XFEL Henry Chapman, un destacado científico de DESY y profesor de la Universidad de Hamburgo. "Estamos muy entusiasmados con la velocidad del análisis: experimentoslo que solía llevar horas ahora se puede hacer en unos minutos, como hemos demostrado. Y la configuración que utilizamos puede incluso optimizarse aún más, acelerando aún más la adquisición de datos. El XFEL europeo ofrece perspectivas brillantes para la exploración deel nanocosmos ". El sorprendente rendimiento del láser de rayos X también es un éxito particular de la división de aceleradores DESY que lideró la construcción del acelerador lineal superconductor más largo y avanzado del mundo que impulsa el XFEL europeo".
Como su segundo objetivo, el equipo eligió una enzima bacteriana que juega un papel importante en la resistencia a los antibióticos. La molécula denominada CTX-M-14 β-lactamasa se aisló de la bacteria Klebsiella pneumoniae cuyas cepas resistentes a múltiples fármacos son una grave preocupación en los hospitales de todo el mundo . Hace dos años, incluso una cepa de 'resistente a pandrug' Klebsiella pneumoniae fue identificado en los EE. UU. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades CDC, no afectado por los 26 antibióticos comúnmente disponibles.
La enzima CTX-M-14 β-lactamasa de la bacteria está presente en todas las cepas. Funciona como un par de tijeras moleculares que cortan los anillos de lactama de los antibióticos derivados de la penicilina, lo que los hace inútiles. Para evitar esto, los antibióticos a menudo se administran juntoscon un compuesto llamado avibactam que bloquea las tijeras moleculares de la enzima. Desafortunadamente, las mutaciones cambian la forma de las tijeras ". Algunas cepas de hospital de Klebsiella pneumoniae ya pueden escindir incluso antibióticos de tercera generación desarrollados específicamente ", explica Christian Betzel, coautor del artículo y también profesor de la Universidad de Hamburgo." Si entendemos cómo sucede esto, podría ayudar diseñar antibióticos queevitar este problema "
Los científicos investigaron un complejo de CTX-M-14 β-lactamasa del 'tipo salvaje' no resistente de la bacteria con avibactam unido al centro activo de la enzima, una estructura que no ha sido analizada antes ". Los resultadosmuestran con precisión de 0.17 nanómetros cómo la avibactam se ajusta cómodamente en una especie de cañón en la superficie de la enzima que marca su centro activo ", dice Markus Perbandt de la Universidad de Hamburgo, también coautor del artículo." Este complejo específico nunca ha sidovisto antes, aunque la estructura de los dos componentes separados ya se conocía "
Las mediciones muestran que es posible registrar información estructural de alta calidad, que es el primer paso para registrar instantáneas de la reacción bioquímica entre enzimas y sus sustratos en diferentes etapas con el XFEL europeo. Junto con los grupos de investigación de los coautoresMartin Aepfelbacher y Holger Rohde, profesores del University Hospital UKE en Hamburgo, el equipo planea usar el láser de rayos X como cámara de cine para ensamblar esas instantáneas en películas de la dinámica molecular de avibactam y esta β-lactamasa ".nos brindaría información crucial sobre el proceso bioquímico que algún día podría ayudarnos a diseñar mejores inhibidores, reduciendo la resistencia a los antibióticos ", dice Betzel.
Las películas de reacciones químicas y bioquímicas son solo un ejemplo de un espectro completamente nuevo de experimentos científicos habilitados por el XFEL europeo. Un factor clave es la velocidad a la que se pueden recopilar los datos. "Esto abre nuevas vías de descubrimiento estructural".hace hincapié en el científico europeo XFEL Adrian Mancuso, que dirige el instrumento SPB / SFX Partículas individuales, racimos y biomoléculas y cristalografía en serie de femtosegundos donde se realizaron los experimentos pioneros ".tan dramática como la diferencia en el tiempo de viaje entre poder atrapar un avión a través del Atlántico en lugar de tomar un barco. El impacto es potencialmente enorme ".
Este primer 'tiempo de haz' para experimentos en el XFEL europeo tuvo lugar dos semanas después de la apertura de la instalación en septiembre de 2017, y estaba abierto a todos los científicos de la comunidad para participar, contribuir, aprender y adquirir experiencia sobre cómo llevar"El éxito de esta política de 'ciencia abierta' se ilustra, entre otras cosas, por la rápida difusión de los resultados de campañas posteriores en el instrumento SPB / SFX por parte de los grupos participantes", explica Chapman ".Además, la gran concentración de esfuerzo de la comunidad abordó los desafíos no resueltos de administrar y visualizar datos, cruciales para llevar a cabo todos los experimentos de cristalografía en serie en el XFEL europeo ".
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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