Chercheurs du Berkeley Lab, en collaboration avec des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory et du Max Planck Institute, ont démontré que la diffusion des rayons X par fluctuation est capable de capturer le comportement des systèmes biologiques avec des détails sans précédent.

Bien que cette technique ait été proposée pour la première fois il y a plus de quatre décennies, sa mise en œuvre a été entravée par le manque de sources de rayons X suffisamment puissantes et de la technologie de détection associée, méthodes de livraison d'échantillons, et les moyens d'analyser les données. L'équipe a développé un nouveau cadre mathématique et d'analyse de données qui a été appliqué aux données obtenues à partir de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du DOE au SLAC. Cette percée a été récemment signalée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Comprendre comment les protéines fonctionnent au niveau atomique permet aux scientifiques de concevoir de nouvelles fonctionnalités, comme la production efficace de biocarburants, ou pour concevoir des médicaments pour bloquer complètement la fonction d'une protéine. À cette fin, les méthodes d'imagerie moléculaire tridimensionnelle telles que la cristallographie aux rayons X et la microscopie cryoélectronique fournissent des informations structurelles critiques à haute résolution. Cependant, ces méthodes ne sont pas bien adaptées pour capturer la dynamique des protéines dans leur environnement naturel. Par conséquent, les scientifiques complètent souvent les modèles dérivés d'échantillons cristallins ou congelés cryogéniquement avec des données d'une technique appelée diffusion de solution aux rayons X qui leur permet d'étudier les protéines à température ambiante, dans des conditions physiologiquement pertinentes.

La diffusion de solution standard a cependant ses limites :dans le temps qu'il faut pour enregistrer un modèle de diffusion de solution aux rayons X, les molécules de protéines tournent et se déplacent très rapidement.

« Cela se traduit par ce qui est essentiellement une quantité massive de flou de mouvement dans les données enregistrées à partir de laquelle seuls quelques détails peuvent être déduits de manière fiable, " a expliqué Peter Zwart, membre du personnel scientifique de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée (MBIB) et membre du Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) au Berkeley Lab.

Éviter le flou de mouvement

Pour surmonter ces problèmes, Zwart et ses collègues chercheurs de CAMERA, dont Kanupriya Pande (MBIB) et Jeffrey Donatelli (Computational Research Division), ont passé ces dernières années à développer une nouvelle approche basée sur l'analyse des corrélations angulaires d'intensité, impulsions de rayons X ultracourtes diffusées à partir de macromolécules en solution. Ces impulsions ultracourtes évitent le flou de mouvement et génèrent beaucoup plus d'informations, rendement meilleur, modèles tridimensionnels plus détaillés.

"L'un des avantages de la diffusion par fluctuation est que nous n'avons pas à travailler sur une particule à la fois, mais peut utiliser les données de diffusion de plusieurs particules à la fois, " a déclaré Pande. Cela permet une conception expérimentale beaucoup plus efficace, ne nécessitant que quelques minutes de temps de faisceau au lieu de plusieurs heures ou jours normalement associés aux méthodes de diffusion des rayons X à une seule particule.

Une série de nouveaux mathématiques et algorithmes développés par CAMERA ont été essentiels au succès de l'expérience. "La théorie derrière la diffusion par fluctuation est très complexe et les données de l'expérience sont beaucoup plus compliquées que la diffusion de solution traditionnelle. Pour que cela fonctionne, nous avions besoin de nouvelles méthodes pour traiter et analyser avec précision les données, " a déclaré Donatelli. Ceux-ci comprenaient une technique sophistiquée de filtrage du bruit, ce qui a augmenté le rapport signal sur bruit des données de plusieurs ordres de grandeur.

"Il y a cinq ans, la diffusion par fluctuation était essentiellement juste une bonne idée, sans aucune indication si c'était pratiquement faisable ou si l'on pouvait tirer des informations structurelles de ces données, " dit Zwart. Depuis lors, l'équipe a développé des outils mathématiques pour déterminer la structure à partir de ces données et a démontré leurs algorithmes sur des données expérimentales idéalisées à partir d'une seule particule par tir.

Dans les derniers travaux, Zwart et ses collègues se sont associés à des chercheurs de l'Institut Max Planck pour démontrer la faisabilité pratique de ces expériences dans des conditions plus réalistes. Les auteurs ont étudié le virus PBCV-1 et ont pu obtenir un niveau de détail bien supérieur à celui de la diffusion de solution standard.

"L'espoir est que cette technique permettra à terme aux scientifiques de visualiser les détails de la dynamique structurelle qui peuvent être inaccessibles par les méthodes traditionnelles, " a déclaré Zwart. Les plans des auteurs pour l'avenir immédiat sont d'étendre cette méthode à des études résolues dans le temps sur la façon dont les protéines changent de forme et de conformation lors de l'exercice de leur fonction biologique.