Блог

Jun 06, 2023

Алгоритм получения более четких белковых пленок

Изображение Института Пола Шеррера: Физик Сесилия Касадей была частью

Институт Пола Шеррера

изображение: Физик Сесилия Касадей была частью международной команды, которая разработала новый алгоритм анализа. С помощью их метода, называемого «спектральный анализ нижних частот», данные, собранные при измерении белков с помощью рентгеновских лазеров на свободных электронах, могут быть оценены более эффективно, чем раньше.посмотреть больше

Фото: Институт Пола Шеррера/Махир Дзамбегович.

Белки — это биологические молекулы, которые выполняют почти все биохимические задачи во всех формах жизни. При этом крошечные структуры совершают сверхбыстрые движения. Чтобы исследовать эти динамические процессы более точно, чем раньше, исследователи разработали новый алгоритм, который можно использовать для более эффективной оценки измерений рентгеновских лазеров на свободных электронах, таких как SwissFEL. Теперь они представили это в журнале Structural Dynamics.

Иногда при использовании навигационной системы во время поездки на автомобиле устройство на короткое время определяет ваше местонахождение за пределами дороги. Это связано с неточностью GPS-позиционирования, которая может достигать нескольких метров. Однако алгоритм спутниковой навигации вскоре это заметит и скорректирует отображаемую на экране траекторию, то есть вернет его на дорогу.

Аналогичный принцип решения нереалистичных последовательностей движений теперь успешно применяется группой исследователей под руководством физика PSI Сесилии Касадеи. Однако их объекты исследования примерно в миллиард раз меньше автомобиля: белки. Эти строительные блоки жизни выполняют важнейшие функции во всех известных организмах. При этом они часто выполняют сверхбыстрые движения. Точный анализ этих движений имеет решающее значение для нашего понимания белков, которые, среди прочего, могут помочь нам производить новые медицинские агенты.

Как «снимать» белки...

Чтобы еще больше улучшить понимание движений белков, Касадеи вместе с другими исследователями PSI, исследователем из DESY в Гамбурге и другими коллегами из Университета Висконсина в Милуоки, США, разработал алгоритм, который оценивает данные, полученные в экспериментах на X- лучевой лазер на свободных электронах (XFEL). XFEL — это крупномасштабный исследовательский центр, который излучает чрезвычайно интенсивные и короткие вспышки рентгеновского света лазерного качества. Здесь для изучения сверхбыстрых движений белков можно использовать метод, называемый последовательной фемтосекундной рентгеновской кристаллографией с временным разрешением (TR-SFX).

Измерения очень сложны по нескольким причинам: белки слишком малы, чтобы их можно было непосредственно визуализировать, их движения невероятно быстры, а интенсивный импульс рентгеновского света ЛСЭ полностью разрушает белки. На экспериментальном уровне TR-SFX уже решает все эти проблемы: не измеряется отдельная молекула, а, скорее, большое количество идентичных белковых молекул заставляют расти вместе в правильном порядке с образованием белковых кристаллов. Когда рентгеновские лучи ЛСЭ освещают эти кристаллы, информация фиксируется вовремя до того, как кристаллы и их белки разрушаются импульсом света. Необработанные данные измерений доступны в виде так называемых дифракционных изображений: световых пятен, которые создаются регулярным расположением белков в кристалле и регистрируются детектором.

... и как оценить данные измерений

Там, где экспериментальные проблемы преодолены, оценка данных только начинается. «Измерение каждого отдельного кристалла дает только два процента данных полного изображения». Эта неполнота имеет физические и экспериментальные причины и может быть устранена только путем осмысленного объединения данных измерений многих кристаллов. Исследование Касадеи сосредоточено на том, как именно это сделать.

Установленный на данный момент метод называется «бинированием и слиянием». «За последнее десятилетие с помощью этого метода удалось добиться многого», — говорит Касадеи. С помощью этого метода данные разбиваются на временные интервалы, и все данные в пределах одного интервала, «бина», усредняются. Однако при таком усреднении также теряется много подробной информации. «Можно сказать, что отдельные изображения белковой пленки немного размыты», — продолжает Касадей. «Вот почему мы разработали метод, который позволяет нам получить больше от данных измерений».