Un camino claro para una mejor comprensión de las biomoléculas

Imágenes 3D con una resolución que rompe records

06.01.2021 - Alemania

Un equipo internacional de científicos, dirigido por Kartik Ayyer de la MPSD, ha obtenido algunas de las imágenes 3D más nítidas posibles de las nanopartículas de oro. Los resultados sientan las bases para obtener imágenes de alta resolución de las macromoléculas. El estudio se llevó a cabo en el instrumento europeo XFEL de Partículas Únicas, Agrupaciones, y biomoléculas y Cristalografía de Femtosegundo en Serie (SPB/SFX) y los resultados se han publicado en Optica.

Los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos son micromoléculas que pueblan nuestras células y son vitales para la vida. La clave para entender cómo funcionan estas macromoléculas radica en comprender su estructura. Utilizando nanopartículas de oro como sustituto de las biomoléculas, el equipo midió 10 millones de patrones de difracción y los utilizó para generar imágenes 3D con una resolución que rompió todos los récords. Las partículas de oro dispersan mucho más rayos X que las bio-muestras y por lo tanto son buenos especímenes de prueba. Proporcionan muchos más datos que los hacen muy útiles para los métodos de ajuste fino que luego pueden ser utilizados en las biomoléculas.

"Las técnicas utilizadas para obtener imágenes de alta resolución de las biomoléculas incluyen la cristalografía de rayos X, que requiere que las biomoléculas se cristalicen", dice Kartik Ayyer, el líder del grupo de Imágenes Computacionales a Nanoescala de la MPSD. "Este no es un proceso fácil. Alternativamente, la microscopía crioelectrónica trabaja con moléculas congeladas", añade. Sin embargo, la llegada de los láseres de electrones libres de rayos X abrió las puertas a las imágenes de partículas individuales (SPI), una técnica que tiene el potencial de proporcionar imágenes de alta resolución de biomoléculas a temperatura ambiente y sin cristalización. Por lo tanto, las biomoléculas pueden estudiarse más cerca de su estado nativo. Esto, a su vez, proporciona una mejor comprensión de su estructura y función en nuestros cuerpos.

Pero dos obstáculos se mantuvieron en SPI: Recoger suficientes patrones de difracción de alta calidad y clasificar adecuadamente la variabilidad estructural de las biomoléculas. El trabajo del equipo muestra que ambas barreras pueden ser superadas, dice Kartik Ayyer: "Experimentos previos de SPI sólo produjeron alrededor de decenas de miles de patrones de difracción, incluso en el mejor de los casos. Sin embargo, para obtener resoluciones relevantes para la biología estructural, los investigadores necesitan de 10 a 100 veces más patrones de difracción", explica Ayyer. "Gracias a las capacidades únicas de la instalación europea del XFEL, a saber, el alto número de pulsos de láser de rayos X por segundo y la alta energía de los pulsos, el equipo fue capaz de recoger 10 millones de patrones de difracción en un solo experimento de 5 días. Esta cantidad de datos no tiene precedentes y creemos que nuestro experimento servirá como plantilla para el futuro de este campo de investigación", dice.

Para superar el problema de la variabilidad estructural de las biomoléculas, es decir, tratar con una instantánea de cada partícula que es ligeramente diferente de las demás, los investigadores desarrollaron un algoritmo especial. Los patrones de difracción son recogidos por un detector bidimensional, muy parecido a una cámara de rayos X rápida. Un algoritmo entonces clasifica los datos y permite a los investigadores reconstruir la imagen de la biomolécula. "Utilizamos las capacidades del Detector de Píxeles Integradores de Ganancia Adaptativa (AGIPD), que nos permitió capturar patrones a esa alta tasa. Luego recolectamos y analizamos los datos con algoritmos personalizados para obtener imágenes con resoluciones que rompen records", dice Ayyer.

"Este estudio realmente explotó la propiedad única de la alta tasa de repleción de nuestra instalación, el detector de fotogramas rápidos y la entrega efectiva de la muestra", dice Adrian Mancuso, científico principal del grupo SPB/SFX. "Demuestra que en el futuro, el XFEL europeo está bien situado para explorar los límites de la 'visión' de biomoléculas no cristalizadas a temperatura ambiente".

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