Há um novo ponto brilhante na fonte de luz de radiação síncrotron de Stanford:Beam Line 12-1, uma estação experimental dedicada a determinar as estruturas de macromoléculas biológicas com raios-X de alto brilho. Pesquisadores de todo o país estão usando-o para examinar a estrutura atômica e a função de diferentes componentes do SARS-CoV-2, o vírus que causa COVID-19.

A nova linha de luz do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia combina um brilho extra, feixe de raios-X fortemente focado com robótica, automação, acesso remoto total e sistemas de processamento de dados para expandir os tipos de macromoléculas que as equipes de pesquisa podem estudar e permitir que façam experimentos com mais rapidez do que antes e em seus laboratórios domésticos.

Apenas nos primeiros meses de operação, pesquisadores da Universidade de Stanford, O Scripps Research Institute, a Universidade da Califórnia, São Francisco e o Instituto de Tecnologia da Califórnia usaram a nova linha de luz para estudar proteínas consideradas centrais para a infecção por SARS-CoV-2.

Entre os resultados estão novas pistas sobre como os anticorpos bloqueiam a infecção e como as drogas podem modular o sistema imunológico para que ele responda fortemente quando necessário, evitando reações exageradas que podem causar mais danos do que benefícios.

A construção da nova linha de luz foi financiada pela Universidade de Stanford, O Scripps Research Institute, várias fundações privadas por meio da Universidade de Stanford, incluindo a Fundação Gordon and Betty Moore, e os Institutos Nacionais de Saúde. Em BL12-1, disse o professor da Scripps Ian Wilson, SSRL tem uma das linhas de feixe de raios-X "microfoco" mais avançadas do mundo. "Seremos capazes de usar cristais menores, coletar dados de alta qualidade, obter uma melhor relação sinal-ruído e coletar mais conjuntos de dados por hora "do que nunca, Wilson disse.

BL12-1 iniciou as operações do usuário após o início da pandemia de abrigo no local COVID-19, disse Aina Cohen, um cientista sênior SSRL que dirige as operações em BL12-1, e, como resultado, fez quase todas as pesquisas relacionadas ao COVID até agora, incluindo uma série de estudos do grupo de Wilson. Mas à medida que o abrigo no local começa a subir, outros projetos começarão a aparecer, ela disse, "e eles também se beneficiarão com o uso dos recursos avançados do BL12-1."

Aumentando com vigas menores

Uma das principais características do BL12-1 é seu tamanho de feixe muito pequeno, com um foco vertical de 5 mícrons, e alto brilho em relação a outras linhas de luz dedicadas à biologia molecular estrutural e cristalografia macromolecular de raios-X. O pequeno, feixe intenso será particularmente útil ao estudar moléculas para as quais é difícil ou demorado fazer crescer cristais grandes - em geral, é mais fácil extrair informações úteis quando o tamanho do feixe é igual ao tamanho do próprio cristal.

Este pequeno tamanho de feixe já se provou muito importante para a pesquisa COVID-19, disse Christopher Barnes, um pós-doutorado no grupo de Pamela Bjorkman no Caltech. Barnes está estudando a estrutura dos anticorpos SARS-CoV-2, incluindo como e onde eles se ligam ao vírus - e ele está tentando fazer isso o mais rápido que pode.

“Por causa da velocidade desses projetos, não tornamos os cristais tão uniformes como costumamos fazer, "Barnes disse, então eles precisavam de um feixe que pudesse se concentrar em menores, mais manchas uniformes dentro dos cristais. "Isso só é possível com uma linha de luz de microfoco como BL12-1, " ele disse.

Além disso, BL12-1 apresenta novos, sistemas de coleta de dados mais rápidos, robótica que alterna remotamente amostras e configurações experimentais mais rápido do que antes, e a capacidade de realizar cristalografia serial, em que cristais muito pequenos são lançados no feixe um após o outro, dando aos pesquisadores uma imagem completa das proteínas dentro desses cristais, sem a necessidade de cultivar um único, maior. O que mais, tudo isso pode ser realizado remotamente a partir dos laboratórios domésticos dos usuários, um benefício importante durante este período de viagens limitadas e distanciamento social.

Velocidade e flexibilidade na hora do coronavírus

O início da nova linha de luz enfrentou um obstáculo incomum:o trabalho foi praticamente interrompido depois que os pedidos de abrigo no local entraram em vigor, e muitos dos testes finais não foram concluídos até abril. Mesmo assim, havia restrições rígidas quanto ao número de pessoas que poderiam vir ao laboratório para concluir o trabalho no hardware da linha de luz e para testar os sistemas, portanto, os primeiros experimentos de comissionamento - estudos executados em parte para solucionar qualquer problema no sistema - estavam relacionados ao novo coronavírus.

Um experimento inicial, liderado pelo professor James Fraser da UCSF, usaram a capacidade do BL12-1 para examinar amostras que não estão congeladas, mas à temperatura ambiente, para estudar enzimas envolvidas na replicação viral mais próximo da temperatura corporal. Outro - um dos primeiros a rodar no BL12-1 - foi um estudo, publicado recentemente em Ciência por Wilson e colegas, das estruturas moleculares dos anticorpos que o sistema imunológico usa para bloquear as células infectadas pelo SARS-CoV-2.

"É fantástico podermos usar esta linha de luz enquanto ela está sendo comissionada e, na verdade, acelerar nosso progresso no trabalho do COVID-19, "Wilson disse.

A professora de Stanford Jennifer Cochran, o estudante de graduação Jack Silberstein e o cientista do SSRL Irimpan Mathews adotaram uma abordagem diferente. Eles estão em busca de medicamentos que possam modular a resposta do sistema imunológico para cima ou para baixo, dependendo da fase da doença em que o paciente se encontra - no início, e para baixo se houver sinais de uma reação imunológica exagerada. Conhecer as estruturas das drogas e das moléculas do sistema imunológico sobre as quais atuam é essencial para a pesquisa, Silberstein disse:"Se você não tem uma estrutura, você está voando às cegas. "

Mathews disse que BL12-1 é pequeno, feixe de alta intensidade os ajudou a atingir partes específicas de seus cristais e coletar diferentes conjuntos de dados dos mesmos cristais, acelerando seu trabalho. "Fiquei surpreso com a suavidade de nossas medições, " ele disse.

Começando ao se abrigar no lugar

Ter um fluxo constante de usuários como esses, Cohen disse, ajudou a resolver quaisquer dobras restantes durante a fase de comissionamento, particularmente porque muito trabalho tinha que ser feito remotamente.

"Apenas um ou dois membros de nossa equipe de pesquisa tinham permissão para entrar no local por vez e todos os grupos de usuários conectados aos nossos sistemas remotamente para controlar seus experimentos, "ela disse." Muito do trabalho de solução de problemas poderia ser feito remotamente por nossos programadores e cientistas de suporte. Em outros casos, teríamos muitas pessoas em casa aconselhando a pessoa no local, "e os membros da equipe SSRL entraram e saíram, algumas noites de trabalho e turnos de fim de semana para fazer funcionar, mantendo o distanciamento físico. "Este, combinado com nossos sistemas experimentais totalmente automatizados e controlados remotamente, nos deu muita flexibilidade. "

O trabalho do COVID continua, começando com mais projetos da Scripps. Meng Yuan, um associado de pós-doutorado no grupo de Wilson, disseram que estão expandindo seu trabalho inicial para examinar pares adicionais de anticorpos e proteínas virais. "Temos um grande número de cristais a serem examinados e uma necessidade urgente de tempo de feixe, "disse ele." A boa capacidade, resposta rápida, e flexibilidade da linha de feixe 12-1, junto com o acesso remoto, realmente ajudaram nossa pesquisa. "