Identifikation av proteinexplosioner med röntgenlaser

När enskilda proteiner bestrålas med en röntgenlaser med ultrakorta pulser, på femtosekunderskalan (10^-15 s), med hög intensitet, joniseras de och en massa elektroner frigörs samtidigt som energi frigörs.

När man tidigare undersökt proteiner med röntgenlaser har det varit viktigt att kunna ta en bild på proteiner innan de går sönder. Men nu har forskare vid Uppsala universitet utvecklat en metod där de kunnat visa på att atomer och joner som bestrålas med röntgenlaser behåller en del av den ursprungliga informationen om sin struktur även efter de exploderat.

I studien har forskarna undersökt hur olika sekundärstrukturer, eller vikningar, av proteiner skiljer sig åt när de exploderar när de bestrålas med röntgenlaser. Totalt undersöktes tre olika par av proteiner, där varje par uppvisar olika sorters likhet i strukturen.

Energin som frigörs vid bestrålning gör att proteinet exploderar och lämnar ett unikt fingeravtryck för varje protein på en avbildningsdetektor. Med hjälp av datorsimuleringar kunde forskarna sedan följa och analysera hur de tre proteinerna och deras vikningar exploderat beroende på var på detektorn de hamnat.

– Fingeravtrycket är som en 2D-bild, som liknar en världskarta, som visar i vilken riktning jonerna i proteinet gått beroende på var de hamnar på kartan. Vi räknar helt enkelt hur många joner som hamnar i en pixel. Vissa pixlar har mer information än andra, beroende på hur många joner som hamnat där, säger Tomas André, doktorand vid Avdelningen för röntgenfysik vid Institutionen för fysik och astronomi och försteförfattare för artikeln.

Metoden kan vara ett bra komplement till traditionella tekniker för avbildning av enskilda proteiner. Den kan också kombineras med maskininlärning för att förbättra noggrannheten och tillförlitligheten i bestämning av proteinstrukturer.

– Nästa steg är att testa metoden med experimentella undersökningar vid en röntgenlaser. Det finns röntgenlasrar i Hamburg vid FLASH eller EuXFEL som vi planerar använda för att testa hur olika proteiner kan detekteras, säger Carl Caleman, professor vid Avdelningen för röntgenfysik vid Instititionen för fysik och astronomi.

De nya forskningsresultaten kan framöver spela en viktig roll för utveckling av nya mediciner genom att komplettera traditionella avbildningstekniker och ge större kunskap om proteiners form och struktur.

Camilla Thulin