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Jun 06, 2023

Un algoritmo para películas de proteínas más nítidas

Imagen Instituto Paul Scherrer: La física Cecilia Casadei fue parte de un

Instituto Paul Scherrer

imagen: La física Cecilia Casadei formó parte de un equipo internacional que desarrolló un nuevo algoritmo de análisis. Con su método, llamado "análisis espectral de paso bajo", los datos recopilados cuando las proteínas se miden con láseres de electrones libres de rayos X se pueden evaluar de manera más eficiente que antes.ver más

Crédito: Instituto Paul Scherrer/Mahir Dzambegovic

Las proteínas son moléculas biológicas que realizan casi todas las tareas bioquímicas en todas las formas de vida. Al hacerlo, las diminutas estructuras realizan movimientos ultrarrápidos. Para investigar estos procesos dinámicos con mayor precisión que antes, los investigadores han desarrollado un nuevo algoritmo que se puede utilizar para evaluar las mediciones en láseres de electrones libres de rayos X como el SwissFEL de manera más eficiente. Ahora lo han presentado en la revista Structural Dynamics.

A veces, al usar el sistema de navegación mientras viaja en automóvil, el dispositivo lo ubicará fuera de la carretera por un breve período de tiempo. Esto se debe a la imprecisión del posicionamiento GPS, que puede llegar a ser de varios metros. Sin embargo, el algoritmo del navegador por satélite lo notará pronto y corregirá la trayectoria que se muestra en la pantalla, es decir, lo volverá a poner en marcha.

Un equipo de investigadores dirigido por la física de PSI Cecilia Casadei ha aplicado con éxito un principio comparable para abordar secuencias de movimiento poco realistas. Sin embargo, sus objetos de investigación son unas mil millones de veces más pequeños que un coche: las proteínas. Estos componentes básicos de la vida cumplen funciones cruciales en todos los organismos conocidos. Al hacerlo, a menudo realizan movimientos ultrarrápidos. Analizar estos movimientos con precisión es crucial para nuestra comprensión de las proteínas que pueden ayudarnos a producir nuevos agentes médicos, entre otras cosas.

Cómo "filmar" las proteínas...

Para mejorar aún más la comprensión de los movimientos de proteínas, Casadei, junto con otros investigadores de PSI, un investigador de DESY en Hamburgo y otros colegas de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee, EE. UU., ha desarrollado un algoritmo que evalúa los datos obtenidos en experimentos en un X- rayo láser de electrones libres (XFEL). Un XFEL es una instalación de investigación a gran escala que emite destellos extremadamente intensos y cortos de luz de rayos X con calidad láser. Aquí, se puede utilizar un método llamado cristalografía de rayos X de femtosegundos en serie con resolución temporal (TR-SFX) para estudiar los movimientos ultrarrápidos de las proteínas.

Las mediciones son muy complejas por varias razones: las proteínas son demasiado pequeñas para obtener imágenes directamente, sus movimientos son increíblemente rápidos y el intenso pulso de luz de rayos X de un FEL destruye por completo las proteínas. A nivel experimental, TR-SFX ya resuelve todos estos problemas: no se mide ninguna molécula individual, sino que se induce a un gran número de moléculas de proteína idénticas a crecer juntas en una disposición regular para formar cristales de proteína. Cuando la luz de rayos X FEL brilla sobre estos cristales, la información se captura a tiempo antes de que los cristales y sus proteínas sean destruidos por el pulso de luz. Los datos sin procesar de las mediciones están disponibles como las llamadas imágenes de difracción: puntos de luz que se crean por la disposición regular de las proteínas en el cristal y son registrados por un detector.

... y cómo evaluar los datos de medición

Donde se han superado los desafíos experimentales, la evaluación de los datos apenas comienza. "La medición de cada cristal individual proporciona solo el dos por ciento de los datos de una imagen completa". Este carácter incompleto tiene razones físicas y experimentales y solo puede eliminarse combinando los datos de medición de muchos cristales de manera significativa. La investigación de Casadei se centra exactamente en cómo hacer esto.

El método establecido hasta ahora se llama "binning and merging". “Se ha logrado mucho con este método en la última década”, dice Casadei. Con este método, los datos se dividen en intervalos de tiempo y se promedian todos los datos dentro de un intervalo, un "bin". Sin embargo, también se pierde mucha información detallada en este promedio. "Se podría decir que las imágenes individuales de la película de proteínas quedan un poco descoloridas", continúa Casadei. "Es por eso que hemos desarrollado un método que nos permite sacar más provecho de los datos de medición".

El nuevo método ideado por Casadei y sus colegas se llama "análisis espectral de paso bajo", o LPSA para abreviar. "De forma similar a la electrónica o la tecnología de audio, aplicamos un filtro de paso bajo", explica Casadei. "Sin embargo, en nuestro caso viene en forma de álgebra lineal avanzada. Aplicamos estas fórmulas para eliminar el ruido no deseado de los datos sin perder los detalles relevantes".

En términos breves y sencillos, los datos sin procesar, es decir, las imágenes de difracción de los cristales de proteína, se rastrean a lo largo del movimiento de la proteína. Se supone que este movimiento es suave, es decir, sin tirones. De manera similar a cómo el sistema de navegación se corrige a sí mismo cuando el automóvil aparentemente se sale del curso de la carretera, el nuevo algoritmo de Casadei y sus colegas mitiga los errores de la reconstrucción del movimiento de proteínas.

HDR para películas de proteínas

Es posible que los legos no noten una inmensa diferencia en las nuevas películas de proteínas. Pero para los cineastas de láseres de electrones libres de rayos X, la mejora es comparable a cambiar de una película de DVD a una calidad HDR.

"Sobre todo, el nuevo algoritmo ahora permite a los investigadores aquí en SwissFEL en PSI extraer más información de sus datos", dice Casadei. Por el contrario, esto significa que el algoritmo puede ayudar a acortar los largos tiempos de medición. Dado que el tiempo de haz siempre tiene una gran demanda en las instalaciones de investigación a gran escala, y en particular en SwissFEL, esta es una perspectiva muy bienvenida para los investigadores de proteínas que utilizan esta instalación altamente avanzada.

Texto: Instituto Paul Scherrer/Laura Hennemann

Acerca de PSI

El Instituto Paul Scherrer PSI desarrolla, construye y opera instalaciones de investigación grandes y complejas y las pone a disposición de la comunidad de investigación nacional e internacional. Las prioridades de investigación clave del propio instituto se encuentran en los campos de la materia y los materiales, la energía y el medio ambiente y la salud humana. PSI está comprometida con la formación de las generaciones futuras. Por lo tanto, aproximadamente una cuarta parte de nuestro personal son posdoctorados, posgraduados o aprendices. En total, PSI emplea a 2100 personas, por lo que es el instituto de investigación más grande de Suiza. El presupuesto anual asciende a aproximadamente CHF 400 millones. PSI es parte del Dominio ETH, y los otros miembros son los dos Institutos Federales Suizos de Tecnología, ETH Zurich y EPFL Lausanne, así como Eawag (Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología Acuática), Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia de Materiales y Tecnología) y WSL (Instituto Federal Suizo para la Investigación Forestal, de la Nieve y del Paisaje). La publicación 5232 - The Magazine of the Paul Scherrer Institute proporciona información sobre la emocionante investigación del PSI con puntos focales cambiantes 3 veces al año.

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Dr. Cecilia CasadeiLaboratorio de Investigación BiomolecularPaul Scherrer Institute, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, SuizaTeléfono: +41 56 310 55 17, correo electrónico: [email protected] [inglés, italiano, francés]

Publicación original

Análisis espectral de paso bajo de datos de cristalografía de femtosegundos en serie resueltos en el tiempoCM Casadei, A. Hosseinizadeh, T. Weinert, J. Standfuss, R. Fung, GFX Schertler, R. SantraStructural Dynamics, 26.05.2023 (en línea) DOI: 10.1063/4.0000178

Dinámica Estructural

10.1063/4.0000178

Estudio experimental

Análisis espectral de paso bajo de datos de cristalografía de femtosegundos en serie resueltos en el tiempo

26-may-2023

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