Uma equipe internacional de cientistas liderada por Kartik Ayyer do MPSD obteve algumas das imagens 3-D mais nítidas possíveis de nanopartículas de ouro. Os resultados são a base para a obtenção de imagens de macromoléculas em alta resolução. O estudo foi realizado no European XFEL's Single Particles, Clusters, e instrumento Biomolecules &Serial Femtosecond Crystallography (SPB / SFX) e os resultados foram publicados em Optica .

Carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos são micromoléculas que povoam as células e são vitais para a vida. A chave para entender como essas macromoléculas funcionam está em entender sua estrutura. Usando nanopartículas de ouro como um substituto para biomoléculas, a equipe mediu 10 milhões de padrões de difração e os usou para gerar imagens 3-D com resolução recorde. Partículas de ouro espalham muito mais raios-X do que bio-amostras e, portanto, são boas amostras de teste. Eles fornecem muito mais dados que os tornam altamente úteis para métodos de ajuste fino que podem ser usados ​​em biomoléculas.

"As técnicas usadas para obter imagens de biomoléculas de alta resolução incluem cristalografia de raios-X, que requer que as biomoléculas sejam cristalizadas, "diz Kartik Ayyer, o líder do grupo Computational Nanoscale Imaging no MPSD. "Este não é um processo fácil. Como alternativa, microscopia crioeletrônica funciona com moléculas congeladas, "acrescenta. No entanto, o advento dos lasers de elétrons livres de raios-X abriu as portas para a imagem de partícula única (SPI), uma técnica que tem o potencial de fornecer imagens de biomoléculas de alta resolução em temperatura ambiente e sem cristalização. Portanto, as biomoléculas podem ser estudadas mais perto de seu estado nativo. Isso, por sua vez, produz melhores percepções sobre sua estrutura e função em nossos corpos.

Mas dois obstáculos permaneceram no SPI:Coletar padrões de difração de alta qualidade e classificar adequadamente a variabilidade estrutural das biomoléculas. O trabalho da equipe mostra que essas duas barreiras podem ser superadas, diz Kartik Ayyer:"Experimentos anteriores de SPI produziram apenas cerca de dezenas de milhares de padrões de difração, mesmo nos melhores cenários. Contudo, para obter resoluções relevantes para biologia estrutural, os pesquisadores precisam de 10 a 100 vezes mais padrões de difração ", explica Ayyer." Graças às capacidades exclusivas da instalação europeia XFEL, nomeadamente, o alto número de pulsos de laser de raios-X por segundo e alta energia de pulso, a equipe conseguiu coletar 10 milhões de padrões de difração em um único experimento de 5 dias. Esta quantidade de dados não tem precedentes e acreditamos que nosso experimento servirá como um modelo para o futuro deste campo de pesquisa, " ele diz.

Para superar o problema da variabilidade estrutural das biomoléculas, isso é, lidar com um instantâneo de cada partícula que é ligeiramente diferente uma da outra, os pesquisadores desenvolveram um algoritmo especial. Os padrões de difração são coletados por um detector bidimensional - muito parecido com uma câmera rápida de raios-X. Um algoritmo então classifica os dados e permite que os pesquisadores reconstruam a imagem da biomolécula. "Usamos os recursos do Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), o que nos permitiu capturar padrões em alta taxa. Em seguida, coletamos e analisamos os dados com algoritmos personalizados para obter imagens com resoluções recordes, "diz Ayyer.

"Este estudo realmente explorou a propriedade única da alta taxa de repleção de nossas instalações, o detector de enquadramento rápido e entrega de amostra eficaz, "diz Adrian Mancuso, cientista líder do grupo SPB / SFX. "Isso mostra que, no futuro, O XFEL europeu está bem posicionado para explorar os limites da 'visão' para os não cristalizados, biomoléculas em temperatura ambiente. "