Чёткий путь к лучшему пониманию биомолекул

Международная группа учёных под руководством Картика Айера из MPSD получила одни из самых чётких трёхмерных изображений наночастиц золота. Результаты закладывают основу для получения высокодетальных изображений макромолекул. Исследование проводилось на инструменте SPB/SFX (Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography) Европейского XFEL, а результаты опубликованы в журнале Optica.

Ключ к пониманию работы макромолекул (углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот) лежит в понимании их структуры. Используя наночастицы золота в качестве замены биомолекул, команда измерила 10 миллионов дифракционных картин и использовала их для генерации 3D-изображений с рекордным разрешением. Золотые частицы рассеивают гораздо больше рентгеновских лучей, чем биологические образцы, что делает их хорошими тестовыми объектами.

По словам Картика Айера, методы получения высокодетальных изображений биомолекул, такие как рентгеновская кристаллография, требуют кристаллизации, а криоэлектронная микроскопия работает с замороженными молекулами. Однако появление рентгеновских лазеров на свободных электронах открыло двери для метода одночастичной визуализации (SPI), который потенциально может давать изображения биомолекул с высоким разрешением при комнатной температуре и без кристаллизации, то есть в состоянии, близком к нативному.

Но в SPI оставались два препятствия: сбор достаточного количества высококачественных дифракционных картин и правильная классификация структурной вариабельности биомолекул. Работа команды показывает, что оба барьера можно преодолеть.

Благодаря уникальным возможностям Европейского XFEL — высокому количеству импульсов рентгеновского лазера в секунду и высокой энергии импульса — команда смогла собрать 10 миллионов дифракционных картин за один пятидневный эксперимент. Для достижения разрешения, значимого для структурной биологии, требуется в 10–100 раз больше данных, чем давали предыдущие эксперименты SPI.

Для преодоления проблемы структурной вариабельности (когда каждый снимок частицы немного отличается) исследователи разработали специальный алгоритм. Дифракционные картины собираются двумерным детектором, а алгоритм сортирует данные и позволяет восстановить изображение биомолекулы. Использование детектора AGIPD (Adaptive Gain Integrating Pixel Detector) позволило захватывать изображения с высокой скоростью, а кастомизированные алгоритмы анализа данных — получить изображения с рекордным разрешением.

Как отмечает ведущий учёный группы SPB/SFX Адриан Манкузо, это исследование в полной мере использовало уникальные свойства установки: высокую частоту повторения импульсов, быстродействующий детектор и эффективную доставку образца. Оно показывает, что в будущем Европейский XFEL хорошо подготовлен для исследования пределов «зрения» в отношении некристаллизованных биомолекул при комнатной температуре.