Uma equipe de cientistas e engenheiros do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveu um novo instrumento científico que permite a caracterização ultraprecisa e de alta velocidade de cristais de proteína na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven, que gera raios-x de alta energia que podem ser aproveitados para sondar os cristais de proteína. Chamado de goniômetro FastForward MX, este instrumento avançado aumentará significativamente a eficiência da cristalografia de proteínas, reduzindo o tempo de execução dos experimentos de horas para minutos.

A cristalografia de proteínas é uma técnica de pesquisa essencial que usa difração de raios-X para descobrir as estruturas 3-D de proteínas e outras moléculas biológicas complexas, e compreender sua função dentro de nossas células. Usando esse conhecimento sobre a estrutura básica da vida, os cientistas podem avançar no design de medicamentos, melhorar os tratamentos médicos, e desvendar outros processos ambientais e bioquímicos que governam nossas vidas diárias.

Para que esta técnica funcione, as proteínas devem ser cristalizadas - e as proteínas mais desafiadoras geralmente crescem apenas em minúsculos microcristais. Para reconstruir essas estruturas complexas de proteínas, os cientistas precisam medir os dados de difração de raios-X de milhares de microcristais e mesclar os dados coletados, uma técnica chamada cristalografia serial. Essas medições atualmente levam horas em instrumentos de pesquisa altamente especializados e avançados em linhas de luz de cristalografia macromolecular síncrotron para serem concluídas. As linhas de luz de cristalografia macromolecular podem ser encontradas em quase todas as instalações de radiação síncrotron no mundo e usam os intensos raios X das fontes de luz para caracterizar a estrutura atômica das proteínas.

"Usando nosso novo goniômetro FastForward MX de ultra-alta velocidade e alta precisão, somos capazes de coletar dados de cristalografia serial tão rápido que conjuntos de dados completos agora podem ser adquiridos em apenas alguns minutos, "disse Martin Fuchs, o cientista-chefe da linha de luz de cristalografia macromolecular de microfocagem da fronteira (FMX) no NSLS-II. "Nosso novo goniômetro aproveita ao máximo as propriedades excepcionais do feixe do NSLS-II, e, portanto, dos raios X brilhantes líderes mundiais disponíveis em nossa linha de luz. "

A equipe desenvolveu o novo goniômetro especificamente para o tamanho de um micrômetro da linha de luz FMX, feixe de raios-X intenso. O FMX agora oferece aos pesquisadores uma capacidade única de medir dados de difração de raios-X de cristais incrivelmente minúsculos em taxas muito mais altas do que em qualquer outra fonte de luz síncrotron.

"O pequeno tamanho do feixe junto com nossa nova técnica de varredura rápida nos dá a capacidade de determinar a estrutura de moléculas biológicas de minúsculos cristais de proteína que anteriormente não seriam grandes o suficiente para coletar dados, "disse Fuchs.

O goniômetro pode posicionar cristais de proteína com uma precisão de 25 nanômetros (4, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano) e garante que o minúsculo feixe de raios-X possa iluminar com precisão os microcristais para medições de difração.

“Para atingir essa precisão e velocidade, precisamos superar muitos desafios tecnológicos. Por exemplo, precisávamos desenvolver uma maneira de mover o cristal nessas etapas extremamente pequenas e, ao mesmo tempo, medir esses pequenos movimentos, "disse Evgeny Nazaretski, um físico e especialista em instrumentação de microscopia de raios-X no NSLS-II. "Tivemos que combinar conhecimentos de diferentes campos, como microscopia de raios-X e biologia estrutural, para permitir esse tipo de desenvolvimento."

O programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Brookhaven financiou o processo de projeto e construção de dois anos, incluindo todas as etapas, desde o projeto conceitual e caracterização do laboratório até a integração do sistema ao ambiente experimental na linha de luz FMX. Yuan Gao, um associado de pesquisa neste projeto, testou o goniômetro exaustivamente ao longo do curso de desenvolvimento quanto à sua estabilidade e desempenho ideal e demonstrou velocidades de digitalização de até 100 Hertz e taxas de aquisição de dados de 750 quadros / segundo. Um único experimento de cristalografia serial pode exigir centenas de milhares de quadros de data.

Para demonstrar o desempenho do goniômetro recém-desenvolvido, a equipe usou para caracterizar duas estruturas de proteínas bem conhecidas, tripsina e proteinase K bovina, e comparou suas novas reconstruções com o conhecimento existente sobre essas duas estruturas de proteínas.

"Medimos essas duas proteínas conhecidas usando o goniômetro FastForward na FMX e desenvolvemos um fluxo de trabalho de processamento de dados que analisou automaticamente os dados conforme os coletamos, "disse Wuxian Shi, um cientista da linha de luz FMX. "Com isso, fomos capazes de resolver as estruturas e mostrar que os dados geravam estruturas de alta resolução e alta qualidade, mesmo nas velocidades de coleta mais rápidas. "

Como uma próxima etapa, a equipe está trabalhando para permitir a troca de amostras robóticas durante os experimentos para aumentar ainda mais o rendimento da linha de luz FMX. Este sistema será então disponibilizado para os grupos de usuários gerais da linha de luz, e abrir um caminho para a determinação da estrutura a partir de cristais menores do que nunca.