Primeras películas moleculares en el XFEL europeo
Investigadores siguen la dinámica de la proteína sensible a la luz con láser de rayos X europeo
Un equipo internacional de investigadores ha realizado la primera película de la dinámica de una biomolécula en el XFEL europeo de rayos X. En un artículo publicado en Nature Methods, los científicos muestran cómo utilizar eficazmente la alta frecuencia de repetición de pulsos de rayos X del láser de rayos X europeo XFEL para producir películas moleculares detalladas. Este tipo de información puede ayudarnos a comprender mejor, por ejemplo, cómo reacciona una molécula de medicamento con las proteínas de una célula humana, o cómo las proteínas vegetales almacenan la energía de la luz. "Se trata de un avance clave en la utilización del XFEL europeo para la realización de películas moleculares con un alto rendimiento", afirmó el científico de DESY Anton Barty, coautor del documento.
Visualización artística de un experimento de cristalografía en serie. Una corriente de proteínas cristalinas es golpeada por un láser óptico que inicia una reacción. Después de un corto retraso, el láser de rayos X golpea los cristales. La información registrada sobre la disposición de los átomos en la proteína se utiliza para reconstruir un modelo de la estructura de la proteína en diferentes momentos de la reacción.
European XFEL, Blue Clay Studios
Los métodos tradicionales de biología estructural utilizan rayos X para producir instantáneas de la estructura tridimensional de moléculas como las proteínas. Aunque valiosa, esta información no revela detalles sobre la dinámica de los procesos biomoleculares. Sin embargo, si se pueden tomar varias instantáneas en una sucesión lo suficientemente rápida, éstas se pueden pegar juntas para crear la llamada película molecular. La alta tasa de repetición de los pulsos de rayos X extremadamente cortos producidos por el XFEL europeo permite ahora recoger grandes cantidades de datos para producir películas con más fotogramas que nunca. Un grupo internacional de científicos ha encontrado la forma de hacer un uso óptimo de la muy alta tasa de repetición de rayos X del XFEL europeo para realizar estas películas moleculares en las instalaciones con el fin de revelar detalles sin precedentes de nuestro mundo.
Para este tipo de experimentos, se deben alinear cuidadosamente varios instrumentos y componentes y comprender con precisión sus capacidades. En Nature Methods los científicos presentan una configuración experimental que hace el mejor uso del valioso tiempo de experimentación. Muestran cómo se pueden tomar las mediciones lo suficientemente cerca para maximizar la cantidad de datos recolectados, al tiempo que se aseguran de que la muestra que se está estudiando no se vea afectada por otra cosa que no sea el pulso de láser previsto. "Hemos demostrado que ahora sabemos cómo utilizar de forma eficaz y eficiente la estructura de pulsos del XFEL europeo para realizar películas moleculares detalladas", dijo Adrian Mancuso, líder del grupo XFEL europeo en el instrumento para partículas individuales, clusters y biomoléculas y cristalografía de femtosegundos en serie (SPB/SFX) donde se realizó el estudio.
Marius Schmidt de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee en los Estados Unidos, quien dirigió el estudio, dijo: "Los pulsos de rayos X extremadamente cortos y brillantes producidos por el XFEL europeo nos dan la posibilidad de estudiar los detalles más pequeños de los procesos biológicos. Imagínese una película de una carrera de esquí alpino compuesta de sólo tres cuadros. Esto le dirá algo sobre cómo comenzó y terminó la carrera, y le dará una imagen del esquiador, así como una visión del paisaje en algún lugar de la montaña, pero no mucho más. Una película que contenga muchos más fotogramas, sin embargo, seguiría la carrera en detalle y sería mucho más informativa. Ahora que sabemos cómo aprovechar los pulsos de rayos X del XFEL europeo para recoger grandes cantidades de datos y producir películas moleculares detalladas, estamos muy entusiasmados de ver lo que ahora es posible".
El equipo del instrumento SPB/SFX también puede ajustar los parámetros de cada experimento dependiendo de la proteína que se esté estudiando. Estos incluyen cambiar el tamaño del punto del pulso de luz óptica para tener en cuenta el tamaño de los cristales de proteína individuales, y el tiempo de retardo entre el láser óptico y el de rayos X para acomodar la duración de la reacción que se está estudiando. "Los conocimientos y la experiencia que hemos adquirido con estos experimentos en el XFEL europeo permitirán a los científicos utilizar el instrumento SPB/SFX para producir películas moleculares de su muestra", dijo Mancuso.
Para sus experimentos, los científicos estudiaron una proteína sensible a la luz conocida como proteína amarilla fotoactiva (PEP). El PYP es utilizado a menudo por los científicos como un sistema modelo para evaluar nuevos montajes experimentales. Los resultados coincidieron con los obtenidos de los datos recopilados durante experimentos anteriores en otras instalaciones, lo que demuestra que su configuración era la recopilación de datos válidos. También pudieron acceder a un rango de tiempo que antes no se conocía y que revelaba detalles novedosos sobre partes de la reacción biológica. "Los XFELs están equipados de manera única para hacer películas moleculares de proteínas en acción a temperatura ambiente, como las que se hacen aquí", concluye el científico principal de DESY Henry Chapman, coautor del trabajo.
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