Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia conseguiu usar o laser de raios X mais poderoso do mundo para capturar imagens de minúsculos cristais de proteínas – uma descoberta que poderia produzir informações mais detalhadas sobre a estrutura de certas proteínas.

A equipe do LCLS, que inclui cientistas da Escola de Medicina da Universidade de Nova York, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee e do Laboratório Nacional de Argonne, também conseguiu registrar as primeiras imagens de dispersão de raios X de um vírus intacto, o vírus vaccinia, que tem cerca de o tamanho das menores bactérias.

Os resultados, relatados em dois artigos na Nature Communications, demonstram a promessa do laser de raios X como uma nova e poderosa ferramenta para explorar estruturas biológicas.

"Esta foi a primeira vez que conseguimos usar lasers de raios X para obter imagens dessas duas classes muito importantes de amostras biológicas, que contêm informações valiosas que podem levar a novas formas de tratar doenças", disse o cientista da equipe do SLAC, Henrik Lemke, que está o autor correspondente do estudo sobre cristais de proteínas.

Para realizar o trabalho, a equipe teve que fazer alguns ajustes no feixe de raios X duro da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, que fornece pulsos de raios X ultrabrilhantes e ultracurtos.

Um desafio era que os pulsos de raios X eram muito brilhantes e concentrados, ameaçando danificar ou destruir as amostras delicadas – e o porta-amostras ao redor.

"Nosso feixe é normalmente do tamanho de um fio de cabelo humano muito fino, mas fizemos o feixe cem vezes maior para que pudéssemos espalhar e difratar os raios X mais suavemente das amostras", disse o cientista do instrumento LCLS e co-autor do estudo. autora Schuyler Brown.

Os pesquisadores também precisavam desenvolver novas técnicas de preparação de amostras para evitar danos causados ​​pelo intenso feixe de raios X. Como os flashes do laser duram apenas femtossegundos (quatrilionésimos de segundo), o dano ocorre em apenas dez quatrilionésimos de segundo.

Usando uma técnica conhecida como cristalografia serial de femtossegundos, os cientistas dispararam pulsos intensos de raios X, um de cada vez, em milhares de pequenos cristais para criar uma riqueza de padrões de difração – padrões de raios X dispersos que contêm informações estruturais sobre os cristais.

“Na maioria dos casos, disparamos apenas um pulso de raios X em cada cristal porque o primeiro flash iria destruí-lo”, disse o coautor do estudo, Thomas White, da Escola de Medicina da Universidade de Nova York. "Como resultado, cada flash gerou apenas um padrão de difração. Depois combinamos todos os padrões para reconstruir uma imagem tridimensional das estruturas dos cristais."

Com essa técnica, a equipe resolveu a estrutura dos cristais de proteínas conhecidos como fotossistema II, responsáveis ​​pela conversão da luz solar em energia química durante a fotossíntese. Os resultados representam a menor estrutura do fotossistema II já obtida.

As imagens dispersas da equipe do vírus vaccinia também produziram algumas surpresas, mostrando que alguns dos vírus na amostra apresentavam uma conformação inesperada e altamente simétrica. Este tipo de conformação pode afetar a forma como o vírus interage com os hospedeiros e pode revelar um calcanhar de Aquiles que pode ser alvo de medicamentos antivirais.

“Este é outro grande exemplo de como o laser de raios X permite aos pesquisadores ver coisas na biologia que nunca viram antes”, disse o diretor do SLAC, Mike Witherell. “Ao examinar os detalhes de vírus ou proteínas que não são visíveis com nenhuma outra técnica, não estamos apenas ganhando uma compreensão mais profunda do mundo natural, mas abrindo a porta para novas formas de combater doenças e criar energia renovável”.

O LCLS do SLAC está programado para uma atualização em 2018, o que aumentará drasticamente a sua potência, abrindo ainda mais possibilidades de imagens biológicas. Os futuros instrumentos do futuro laser de raios X do SLAC, LCLS-II, também apoiarão imagens biológicas.

A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Universidade de Wisconsin-Milwaukee e pela Escola de Medicina da Universidade de Nova York.