Para estudar a rapidez da biologia - a química das proteínas por trás de cada função da vida - os cientistas precisam ver as moléculas mudando e interagindo em incrementos de tempo inimaginavelmente rápidos - trilionésimos de segundo ou menos.

Equipamentos de imagem com esse tipo de velocidade foram finalmente testados no ano passado no European X-ray Free-Electron Laser, ou EuXFEL. Agora, uma equipe de físicos da Universidade de Wisconsin-Milwaukee concluiu o primeiro filme molecular da instalação, ou "mapeamento, "do movimento ultrarrápido das proteínas.

Com esse recurso, os cientistas podem observar como as proteínas fazem seu trabalho corretamente - ou como sua mudança de forma dá errado, causando doenças.

"Criar mapas do funcionamento físico de uma proteína abre a porta para responder a questões biológicas muito maiores, "disse Marius Schmidt, um professor de física da UWM que projetou o experimento. "Você poderia dizer que o EuXFEL agora pode ser visto como uma ferramenta que ajuda a salvar vidas."

Suas descobertas marcam uma nova era de pesquisa de proteínas que permite que enzimas envolvidas em doenças sejam observadas em tempo real por períodos significativos com clareza sem precedentes. O artigo está publicado online hoje na revista Métodos da Natureza .

O EuXFEL produz raios X intensos em pulsos extremamente curtos a uma taxa de megahertz - um milhão de pulsos por segundo. Os raios são direcionados a cristais contendo proteínas, em um método chamado cristalografia de raios-X. Quando um cristal é atingido pelo pulso de raios-X, difrata o feixe, espalhando em um certo padrão que revela onde os átomos estão e produzindo um "instantâneo".

Os pulsos de raios-X de disparo rápido produzem instantâneos 2-D de cada padrão de centenas de milhares de ângulos onde o feixe atinge o cristal. Esses são reconstruídos matematicamente em imagens 3-D móveis que mostram mudanças no arranjo dos átomos ao longo do tempo.

O XFEL europeu, que abriu no ano passado, levou esse mapeamento de átomos a um novo nível. Explosões extremamente poderosas contêm pulsos de raios-X a um quatrilionésimo de segundo, em "bursts" que ocorrem em intervalos de 100 milissegundos.

A experiência de Schmidt começou com um flash de azul, luz visível que induziu uma reação química dentro do cristal de proteína, seguido imediatamente por uma explosão de intensos raios-X em pulsos de megahertz que produzem os "instantâneos".

É um experimento que ele realizou pela primeira vez em 2014 no Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia dos EUA, na Califórnia. Lá, ele e seus alunos puderam documentar as mudanças atômicas em suas amostras de proteínas pela primeira vez em um XFEL.

Subseqüentemente, em 2016, eles foram capazes de mapear o rearranjo de átomos no intervalo de tempo que as proteínas levam para mudar suas formas - quatrilionésimos de segundo (femtossegundos) até 3 trilionésimos de segundo (picossegundos). Em um picossegundo, que é um trilionésimo de segundo, a luz viaja ao longo do período no final desta frase.

A cristalografia resolvida no tempo anterior em sua proteína fotorreativa já havia sido concluída usando outras fontes de raios-X capazes de gerar imagens em escalas de tempo maiores que 100 picossegundos, deixando uma lacuna de tempo não mapeada entre 3 e 100 picossegundos que os cientistas foram capazes de preencher usando o EuXFEL.

O brilho excepcional do laser e a taxa de pulso de raios-X megahertz permitiram que eles reunissem dados muito mais rápido e com maior resolução e em intervalos de tempo mais longos.

Schmidt descreve o EuXFEL como "uma máquina de superlativos". O maior XFEL do mundo, tem 3 quilômetros de comprimento, medindo a distância entre os estados federais alemães de Hamburgo e Schleswig-Holstein. A tecnologia supercondutiva é usada para acelerar elétrons de alta energia, que gera os raios-X.

Schmidt, um biofísico que participou de mais de 30 projetos de imagem XFEL até o momento, ofereceu uma amostra do potencial médico da cristalografia aprimorada com o XFEL:Usando este método, ele testemunhou como várias proteínas trabalham juntas, como as enzimas responsáveis ​​pela resistência aos antibióticos desativam uma droga e como as proteínas mudam de forma para absorver a luz e permitir a visão.

Estudante de doutorado Suraj Pandey, que veio para UWM de sua terra natal, o Nepal, é o primeiro autor no artigo. Ele agora tem experiência com tecnologia que poucas pessoas no mundo podem afirmar, pelo menos por agora. Ele disse que não tinha certeza do que esperar ao entrar no experimento.

O papel de Pandey era analisar os dados e calcular os mapas de mudança estrutural. Dos milhões de pulsos de raios-X que os XFELs fornecem, a maioria não atinge um alvo. Na verdade, apenas 1% a 2% difratam um cristal de proteína, enquanto os pulsos restantes produzem "ruído" que deve ser removido dos dados.

A equipe também tinha outras preocupações, ele disse. Demorou meses para Pandey cultivar a proteína necessária para produzir os cristais do experimento, mas durante seu transporte para a Alemanha, os 5 gramas de proteína congelada foram retidos na alfândega por vários dias, durante o qual parte dele derreteu.

Após o primeiro dia de imagens, ele processou os dados e pôde identificar pela primeira vez um sinal forte no mapa resultante. "Este foi um grande avanço, "disse ele." Mas o sinal não correspondeu à mudança prevista nos experimentos anteriores. Achei que o experimento havia falhado. "

Em vez de, ele e os operadores de EuXFEL aprenderam sua primeira lição:os pulsos ópticos que iniciam a reação devem ser sincronizados exatamente com os pulsos de raios-X do megahertz. De outra forma, a reação da proteína se desdobra em alocações de tempo desconhecidas. E eles tinham que ter certeza de que a amostra foi animada apenas uma vez, o que acabou sendo bastante complicado com as taxas de pulso de megahertz.

O sucesso final do experimento deu a Pandey uma enorme satisfação.

"É uma tecnologia única, "ele disse sobre o EuXFEL." Fomos os pioneiros no uso do XFEL europeu ao ver os filmes de como as proteínas funcionam. Estou apenas voando. "