Een duidelijk pad naar betere inzichten in biomoleculen

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Kartik Ayyer van de MPSD heeft enkele van de scherpst mogelijke 3D-beelden van gouden nanodeeltjes verkregen. De resultaten leggen de basis voor het verkrijgen van hoge resolutie afbeeldingen van macromoleculen. De studie werd uitgevoerd op het instrument Single Particles, Clusters, en Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB / SFX) van de Europese XFEL en de resultaten zijn gepubliceerd in Optica.

Koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren zijn micromoleculen die cellen bevolken en van vitaal belang zijn voor het leven. De sleutel om te begrijpen hoe deze macromoleculen werken, ligt in het begrijpen van hun structuur. Door gouden nanodeeltjes te gebruiken als vervanging voor biomoleculen, heeft het team 10 miljoen diffractiepatronen gemeten en deze gebruikt om 3D-afbeeldingen te genereren met een recordbrekende resolutie. Gouddeeltjes verstrooien veel meer röntgenstralen dan biosamples en vormen zo goede proefstukken. Ze leveren veel meer gegevens op, waardoor ze zeer nuttig zijn voor het verfijnen van methoden die vervolgens kunnen worden gebruikt op biomoleculen.

“De technieken die worden gebruikt om hoge-resolutiebeelden van biomoleculen te verkrijgen, zijn onder meer röntgenkristallografie, waarbij de biomoleculen moeten worden gekristalliseerd”, zegt Kartik Ayyer, de leider van de Computational Nanoscale Imaging-groep bij de MPSD. “Dit is geen gemakkelijk proces. Als alternatief werkt cryo-elektronenmicroscopie met bevroren moleculen”, voegt hij eraan toe. De komst van vrije-elektronenlasers met röntgenstraling opende echter de deuren voor beeldvorming met enkelvoudige deeltjes (SPI), een techniek die het potentieel heeft om hoge resolutiebeelden van biomoleculen te leveren bij kamertemperatuur en zonder kristallisatie. Daarom kunnen de biomoleculen dichter bij hun oorspronkelijke staat worden bestudeerd. Dit levert weer een beter inzicht op in hun structuur en functie in ons lichaam.

Maar er bleven twee hindernissen in SPI: het verzamelen van voldoende hoogwaardige diffractiepatronen en het correct classificeren van de structurele variabiliteit van de biomoleculen. Het werk van het team laat zien dat beide barrières kunnen worden overwonnen, zegt Kartik Ayyer: “Eerdere SPI-experimenten leverden slechts ongeveer tienduizenden diffractiepatronen op, zelfs in de beste scenario’s. Om resoluties te krijgen die relevant zijn voor structurele biologie, hebben onderzoekers er 10 nodig. tot 100 keer meer diffractiepatronen. ” legt Ayyer uit. “Dankzij de unieke mogelijkheden van de Europese XFEL-faciliteit, namelijk het hoge aantal röntgenlaserpulsen per seconde en de hoge pulsenergie, kon het team 10 miljoen diffractiepatronen verzamelen in een enkel experiment van 5 dagen. Dit aantal van gegevens is ongekend en we denken dat ons experiment als sjabloon zal dienen voor de toekomst van dit onderzoeksveld, “zegt hij.

Om het probleem van de structurele variabiliteit van biomoleculen op te lossen, dat wil zeggen een momentopname van elk deeltje dat enigszins van elkaar verschilt, hebben de onderzoekers een speciaal algoritme ontwikkeld. De diffractiepatronen worden opgevangen door een tweedimensionale detector, net als een snelle röntgencamera. Een algoritme sorteert vervolgens de gegevens en stelt de onderzoekers in staat om het beeld van het biomolecuul te reconstrueren. “We gebruikten de mogelijkheden van de Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), waardoor we patronen met die hoge snelheid konden vastleggen. We verzamelden en analyseerden de gegevens vervolgens met aangepaste algoritmen om beelden te verkrijgen met recordbrekende resoluties”, zegt Ayyer.

“Deze studie maakte echt gebruik van de unieke eigenschap van de hoge repletiesnelheid van onze faciliteit, de snelle framedetector en effectieve monsterafgifte”, zegt Adrian Mancuso, vooraanstaand wetenschapper van de SPB / SFX-groep. “Het laat zien dat het Europese XFEL in de toekomst goed geplaatst is om de grenzen van ‘visie’ voor niet-gekristalliseerde biomoleculen op kamertemperatuur te verkennen.”