Nouvelle recherche publiée dans Méthodes naturelles améliorera considérablement la façon dont les scientifiques « voient à l'intérieur » des structures moléculaires en solution, permettant des moyens beaucoup plus précis d'imager des données dans divers domaines, de l'astronomie à la découverte de médicaments.

La nouvelle méthode permettra la visualisation de beaucoup plus de molécules biologiques, fournir des informations essentielles sur ce qui se trouve à l'intérieur des molécules aux scientifiques qui ne peuvent actuellement accéder qu'à leur forme ou enveloppe extérieure. De telles informations pourraient être un élan majeur pour les études sur les virus, par exemple.

"Avec les techniques existantes, vous ne pouvez voir que le contour du virus, " a déclaré l'auteur Thomas D. Grant, Doctorat, professeur assistant de recherche au Département de biologie structurale de la Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences de l'Université de Buffalo et au Département des matériaux, Conception et innovation à l'UB School of Engineering and Applied Sciences et à l'Institut de recherche médicale Hauptman-Woodward. "Cette nouvelle méthode nous permet de voir à l'intérieur de la molécule virale pour comprendre comment l'information génétique est arrangée, donnant potentiellement un nouvel aperçu de la façon dont le virus injecte cette information génétique dans son hôte. »

Grant est le seul auteur de l'article, une rareté parmi les articles publiés dans cette revue. Il est scientifique avec BioXFEL (Biologie avec des lasers à électrons libres de rayons X), un centre scientifique et technologique de la National Science Foundation composé de huit universités de recherche américaines dont le siège est à UB. Sa mission est d'aborder les questions fondamentales de la biologie au niveau moléculaire en utilisant des techniques de pointe, y compris la science des lasers à rayons X.

Résoudre le problème de phase

La méthode de Grant a résolu le problème de phase pour une technique de détermination moléculaire particulière appelée diffusion de solution. Le problème de phase est l'endroit où des informations critiques sur la phase d'une molécule sont perdues pendant le processus expérimental de réalisation d'une mesure physique.

Il a expliqué que la plupart des structures moléculaires d'aujourd'hui sont résolues en utilisant la cristallographie aux rayons X, où les structures diffusent des rayons X intenses en motifs composés de centaines de milliers d'informations uniques, qui sont utilisés pour révéler finalement la structure à haute résolution.

"Le problème est que plus de 75 pour cent des structures moléculaires ne forment pas facilement les cristaux ordonnés qui diffractent bien, " a expliqué Grant. " Cela signifie que de nombreuses molécules sont difficiles à visualiser en trois dimensions. "

En outre, il a dit, les molécules biologiques peuvent présenter des mouvements dynamiques qui ont un impact sur leur fonctionnement, mais ces mouvements manquent lorsque les structures se cristallisent, entraînant la perte d'informations biologiques importantes.

Un moyen de contourner cet obstacle consiste à utiliser une technique appelée diffusion de solution dans laquelle les rayons X se dispersent sur des molécules flottant en solution au lieu d'être disposées dans un cristal.

"La diffusion de la solution permet aux molécules de se déplacer dynamiquement dans leur état naturel, permettant la visualisation de la dynamique conformationnelle à grande échelle importante pour la fonction biologique, " dit Grant. " Cependant, lorsque les molécules tombent en solution, ils diffusent les rayons X dans de nombreuses orientations différentes, perdre la plupart des informations, ne produisant généralement que 10 à 20 données uniques." Jusqu'à présent, si peu d'informations n'ont donné que des contours à faible résolution de la forme des particules.

Grant a développé un nouvel algorithme qui permet de reconstruire la densité électronique tridimensionnelle d'une molécule, similaire à une reconstruction 3-D du cerveau produite par un scanner. Cependant, son algorithme le fait en utilisant uniquement les données unidimensionnelles des expériences de diffusion de solution.

Comme voir les traits du visage au lieu d'une simple silhouette

"Pour la première fois, cela nous permet de « voir à l'intérieur » ces molécules flottant en solution pour comprendre les variations de densité internes au lieu de ne voir que les bords extérieurs ou « l'enveloppe » de la forme des particules, " Grant a dit. " Comme être capable de voir tous les traits du visage d'une personne au lieu de juste la silhouette de son visage, ces informations supplémentaires permettront aux chercheurs de mieux comprendre les structures moléculaires en solution."

Il a développé la nouvelle méthode en développant une technique mathématique bien connue appelée « récupération de phase itérative ». Il s'agit d'une technique de calcul qui permet de résoudre le problème de phase.

Grant a expliqué :" Le problème de phase s'apparente au fait d'avoir une caméra qui enregistre avec précision toutes les intensités de chaque pixel, mais brouille où sont ces pixels, basé sur une équation mathématique complexe. Vous vous retrouvez donc avec une image inutile de pixels brouillés."

Scientifiques, il a dit, ont généralement travaillé pour décoder cette équation mathématique en modifiant un peu l'image pour s'assurer qu'elle ressemble à peu près à ce qu'ils attendent. Par exemple, dans une photo de paysage, les pixels bleus représentant le ciel devraient naturellement être en haut.

Résoudre le problème de phase est comme décoder cette équation, Grant a continué, et pouvoir placer tous les pixels là où ils sont censés être, reconstituer l'image d'origine.

"Toutefois, ce processus modifie certaines des intensités, donc vous les corrigez en fonction de l'image brouillée d'origine que vous avez, " a-t-il dit. " Cette méthode parcourt ce processus de manière itérative, améliorer progressivement les phases à chaque cycle, récupérer finalement les phases finales, résoudre le problème de phase et reconstruire l'image désirée."

La méthode de Grant, appelé « recherche itérative du facteur de structure, " permet aux scientifiques de reconstruire non seulement les phases tridimensionnelles, mais aussi les intensités tridimensionnelles qui sont perdues dans les expériences de diffusion de solution lorsque les molécules tombent de manière aléatoire dans la solution.

"Il s'agit de la première démonstration de la capacité de reconstruire des objets tridimensionnels à partir de données expérimentales unidimensionnelles et cela aura probablement un impact important dans les domaines d'imagerie connexes, " il a dit.