Gli scienziati raggiungono una svolta nell'allineamento laser per l'imaging di singole particelle macromolecolari
Visualizzazione di strutture molecolari con dettagli senza precedenti
L'imaging a diffrazione di singole particelle (SPI) con laser a elettroni liberi a raggi X consente ai ricercatori di ricostruire la struttura di nanoparticelle e biomolecole. Tuttavia, la tecnica spesso richiede l'acquisizione di immagini fino a diversi miliardi di nanoparticelle per produrre l'immagine e impone limiti alla sua chiarezza e nitidezza. I ricercatori del Center for Free-Electron Laser Science del DESY, insieme a colleghi internazionali, hanno recentemente dimostrato che è possibile ottenere un allineamento indotto dal laser per migliorare significativamente le tecniche di imaging molecolare. Questo confinamento geometrico delle molecole nell'esperimento di imaging a raggi X faciliterà notevolmente il recupero dell'orientamento molecolare e, quindi, il recupero della struttura. In questo modo si supera una sfida significativa nell'imaging diffrattivo di singole particelle. Questo nuovo sviluppo apre ulteriormente la strada alla risoluzione delle strutture tridimensionali di proteine e altre macromolecole mediante SPI.
Un laser ottico può essere utilizzato per allineare biomolecole complesse per l'imaging di singole molecole.
DESY-CFEL–CMI, Muhamed Amin
L'allineamento indotto dal laser utilizza l'interazione tra la polarizzabilità anisotropa della molecola e il campo elettrico di un impulso laser. L'impulso laser induce un momento di dipolo elettrico transitorio nella molecola, che segue il campo elettrico dell'impulso laser. Ciò costringe le molecole a ruotare in un orientamento in cui l'interazione di polarizzazione è ottimizzata, cioè ad allineare l'asse più polarizzabile della molecola con la polarizzazione del laser, ottenendo l'allineamento geometrico delle molecole e quindi il loro fissaggio nello spazio.
Nel lavoro attuale, i ricercatori hanno dimostrato computazionalmente che le nanoparticelle e le proteine possono essere fortemente allineate utilizzando le attuali tecnologie laser standard. Analizzando 150 000 proteine della banca dati internazionale delle proteine (PDB), hanno dimostrato che la maggior parte di esse può essere allineata utilizzando condizioni sperimentali realistiche. Ciò aumenta la loro visibilità negli esperimenti di diffrazione a singola particella. Il team ha pubblicato i suoi risultati sul Journal of the American Chemical Society.
I risultati affrontano un problema di lunga data nell'imaging di particelle singole, in cui le molecole sono tipicamente catturate in orientamenti casuali, rendendo difficile la ricostruzione 3D. I ricercatori prevedono inoltre che il raffreddamento delle molecole a temperature criogeniche, una tecnica che il gruppo sta attivamente implementando, migliori il grado di allineamento e riduca il potenziale danno da radiazioni, perfezionando ulteriormente la tecnica.
Questa scoperta ha implicazioni significative per la biologia strutturale e la nanotecnologia, in quanto consente agli scienziati di visualizzare le strutture molecolari con un dettaglio senza precedenti e potrebbe potenzialmente rivoluzionare la scoperta di farmaci, la ricerca biomolecolare e la scienza dei materiali. Gli esperimenti futuri si concentreranno sull'integrazione di queste tecniche laser con l'imaging XFEL per ottenere una risoluzione sub-nanometrica, avvicinando i ricercatori alla visualizzazione in tempo reale della dinamica molecolare.
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