Il y a un nouveau point lumineux à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford :la ligne de faisceau 12-1, une station expérimentale dédiée à la détermination des structures de macromolécules biologiques aux rayons X de haute brillance. Des chercheurs de tout le pays l'utilisent pour examiner la structure atomique et la fonction de différents composants du SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19.

La nouvelle ligne de lumière du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie combine une lumière extra-brillante, faisceau de rayons X étroitement focalisé avec robotique, automatisation, des systèmes complets d'accès à distance et de traitement des données pour étendre les types de macromolécules que les équipes de recherche peuvent étudier et leur permettre de mener des expériences plus rapidement qu'auparavant et depuis leurs laboratoires d'origine.

Dès les premiers mois de fonctionnement, chercheurs de l'Université de Stanford, L'institut de recherche Scripps, l'Université de Californie, San Francisco et le California Institute of Technology ont utilisé la nouvelle ligne de lumière pour étudier des protéines considérées comme essentielles à l'infection par le SRAS-CoV-2.

Parmi les résultats figurent de nouveaux indices sur la façon dont les anticorps bloquent l'infection et sur la façon dont les médicaments pourraient moduler le système immunitaire afin qu'il réagisse fortement en cas de besoin tout en évitant les réactions excessives qui pourraient causer plus de mal que de bien.

La nouvelle construction de la ligne de lumière a été financée par l'Université de Stanford, L'institut de recherche Scripps, plusieurs fondations privées via l'Université de Stanford dont la Fondation Gordon et Betty Moore, et les instituts nationaux de la santé. Dans BL12-1, a déclaré le professeur Scripps Ian Wilson, SSRL possède l'une des lignes de faisceaux de rayons X "microfocus" les plus avancées au monde. "Nous pourrons utiliser des cristaux plus petits, collecter des données de meilleure qualité, obtenir un meilleur rapport signal/bruit et collecter plus d'ensembles de données par heure que jamais auparavant, dit Wilson.

BL12-1 a commencé les opérations des utilisateurs après le début de l'abri sur place en cas de pandémie de COVID-19, dit Aina Cohen, un scientifique senior SSRL qui dirige les opérations au BL12-1, et par conséquent, il a fait presque entièrement des recherches liées au COVID jusqu'à présent, y compris un certain nombre d'études du groupe de Wilson. Mais alors que l'abri sur place commence à se soulever, d'autres projets commenceront à arriver, elle a dit, "et ils bénéficieront également de l'utilisation des capacités avancées du BL12-1."

Voir grand avec des poutres plus petites

L'une des principales caractéristiques du BL12-1 est sa très petite taille de faisceau, avec un foyer vertical de 5 microns, et une luminosité élevée par rapport à d'autres lignes de lumière consacrées à la biologie moléculaire structurelle et à la cristallographie macromoléculaire aux rayons X. Le petit, faisceau intense sera particulièrement utile lors de l'étude de molécules pour lesquelles il est difficile ou fastidieux de faire croître de gros cristaux - en général, il est plus facile d'extraire des informations utiles lorsque la taille du faisceau correspond à la taille du cristal lui-même.

Cette petite taille de faisceau s'est déjà avérée très importante pour la recherche COVID-19, dit Christopher Barnes, un stagiaire postdoctoral dans le groupe de Pamela Bjorkman à Caltech. Barnes étudie la structure des anticorps SARS-CoV-2, y compris comment et où ils se lient au virus - et il essaie de le faire aussi vite qu'il le peut.

« En raison de la rapidité de ces projets, nous n'avons pas rendu les cristaux aussi uniformes que d'habitude, " Barnes a dit, ils avaient donc besoin d'un faisceau qui puisse se concentrer sur les plus petits, des taches plus uniformes dans les cristaux. "Cela n'est réalisable qu'avec une ligne de lumière microfocus comme BL12-1, " il a dit.

En outre, BL12-1 dispose de nouveautés, des systèmes de collecte de données plus rapides, une robotique qui change à distance les échantillons et les configurations expérimentales plus rapidement qu'auparavant, et la capacité de réaliser une cristallographie en série, dans lequel de très petits cristaux sont projetés dans le faisceau l'un après l'autre, donnant aux chercheurs une image complète des protéines dans ces cristaux sans avoir besoin d'en cultiver un seul, un plus grand. Quoi de plus, tout cela peut être réalisé à distance depuis les laboratoires du domicile des utilisateurs, un avantage important pendant cette période de déplacements limités et de distanciation sociale.

Vitesse et flexibilité au temps du coronavirus

Le démarrage de la nouvelle ligne de lumière s'est heurté à un obstacle inhabituel :les travaux se sont en grande partie arrêtés après l'entrée en vigueur des commandes d'abris sur place, et la plupart des tests finaux n'ont été terminés qu'en avril. Même à ce moment là, il y avait des restrictions strictes sur le nombre de personnes pouvant venir au laboratoire pour terminer le travail sur le matériel de la ligne de lumière et pour tester les systèmes, Ainsi, les premières expériences de mise en service – des études menées en partie pour déterminer les défauts du système – étaient liées au nouveau coronavirus.

Une première expérience, dirigé par le professeur UCSF James Fraser, a utilisé la capacité du BL12-1 à examiner des échantillons qui ne sont pas congelés mais à température ambiante pour étudier les enzymes impliquées dans la réplication virale plus près de la température corporelle. Un autre, l'un des premiers à fonctionner sur BL12-1, était une étude, récemment publié dans Science par Wilson et ses collègues, des structures moléculaires des anticorps que le système immunitaire utilise pour empêcher le SRAS-CoV-2 d'infecter les cellules.

"C'est fantastique que nous ayons pu utiliser cette ligne de lumière pendant sa mise en service et accélérer réellement nos progrès sur les travaux COVID-19, ", a déclaré Wilson.

Professeur de Stanford Jennifer Cochran, l'étudiant diplômé Jack Silberstein et le scientifique de la SSRL Irimpan Mathews ont adopté une approche différente. Ils recherchent des médicaments qui pourraient moduler la réponse du système immunitaire vers le haut ou vers le bas en fonction de la phase de la maladie dans laquelle se trouve le patient - dès le début, et vers le bas s'il y a des signes d'une réaction immunitaire excessive. Connaître les structures des médicaments et des molécules du système immunitaire sur lesquelles ils agissent est essentiel à la recherche, Silberstein a dit :« Si vous n'avez pas de structure, vous volez à l'aveugle."

Mathews a dit que le BL12-1 est petit, faisceau de haute intensité les a aidés à cibler des parties spécifiques de leurs cristaux et à collecter différents ensembles de données à partir des mêmes cristaux, accélérer leur travail. "J'ai été surpris par la régularité de nos mesures, " il a dit.

Démarrage à l'abri sur place

Avoir un flux constant d'utilisateurs comme ceux-ci, Cohen a dit, aidé à résoudre les éventuels défauts pendant la phase de mise en service, d'autant plus que tant de travail devait être fait à distance.

« Seuls un ou deux membres de notre équipe de recherche étaient autorisés sur place à la fois et tous les groupes d'utilisateurs connectés à nos systèmes à distance pour contrôler leurs expériences, ", a-t-elle déclaré. "Une grande partie du travail de dépannage pourrait être effectuée à distance par nos programmeurs et nos scientifiques de soutien. Dans d'autres cas, nous aurions beaucoup de monde à la maison pour conseiller la personne sur place, " et les membres de l'équipe SSRL sont entrés et sortis en rotation, quelques quarts de travail de nuit et de week-end pour que cela fonctionne tout en maintenant une distance physique. "Cette, combiné à nos systèmes expérimentaux entièrement automatisés et télécommandés, nous a donné beaucoup de flexibilité."

Le travail COVID se poursuit, en commençant par plus de projets de Scripps. Meng Yuan, un associé postdoctoral dans le groupe Wilson, ont déclaré qu'ils élargissaient leurs travaux initiaux pour examiner des paires supplémentaires d'anticorps et de protéines virales. "Nous avons un grand nombre de cristaux à cribler et un besoin urgent de temps de faisceau, " dit-il. " La bonne capacité, une réponse rapide, et la flexibilité de la ligne de faisceau 12-1, avec accès à distance, ont vraiment aidé nos recherches.