Una revolución en la biología estructural: láser de rayos X de imagen de partículas individuales

Un consorcio internacional interdisciplinario de más de 20 laboratorios (1), incluida la información de laboratorio CNRS Génomique et Structurale, ha logrado una extraordinaria hazaña: la producción de un ultra potente haz de rayos X con láser para visualizar una única partícula viral en un solo flash de varios femtosegundos duraderos (10 -15 segundos). Los investigadores han hecho convirtió el acelerador de partículas de Stanford (SLAC), en un instrumento de radiología gigantesco «únicos»: las partículas de células enteras, virus o incluso macromoléculas. Este trabajo, publicado el 3 de febrero de 2011 en la revista Nature , anuncia una nueva era para la biología estructural, abriendo el camino para el uso de rayos X en el estudio de la estructura tridimensional de los objetos biológicos que son asimétricos, no cristalizable e incluso en movimiento. El equipo ahora está tratando de mejorar la resolución de las imágenes con el fin de lograr una visualización detallada de ambos el interior y exterior de estas partículas biológicas.

Los físicos involucrados en este trabajo han estado estudiando la posibilidad de utilizar los aceleradores de partículas para estudios biológicos desde mediados de la década de 1990.Ellos han tenido éxito en la adición de una estructura 800-metro imán largo para el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), de modo que la aceleración de electrones podría conducir a la emisión de una cantidad colosal de fotones en la misma frecuencia en rayos X duros longitudes de onda. Estos fotones por lo tanto forman la más potente de rayos X del haz láser en el mundo. La potencia suministrada por este instrumento, conocido como el LCLS (Fuente de luz coherente Linac), es de 6,5 10 15vatios por cm 2 , es decir, un incremento de diez mil millones de veces en comparación con los niveles de brillo disponibles hasta ahora! Esta cifra es difícil de entender teniendo en cuenta que un reactor de la central nuclear «sólo» genera 1.000 megavatios (10de 12 watts) … Además, el pulso de láser es muy breve: 70 femtosegundos. Toda la energía dirigida hacia el blanco es por lo tanto se concentró en un marco de tiempo extremadamente corto, lo que hace posible obtener una imagen antes de la explosión de la muestra. Cada partícula biológica inyecta en el haz de fotones, a una velocidad de 300 km / h, se transforma en plasma a una temperatura de 100.000 grados Kelvin. Pero, antes de hacerlo, que haya tenido tiempo para difractar 1,7 millones de fotones, de la que se recrea su imagen utilizando los métodos matemáticos y el software desarrollado por el equipo de investigadores.

Los aspectos biológicos de este trabajo fueron tratados por el equipo de Chantal Abergel en el CNRS de información de laboratorio Génomique et Structurale dirigida por Jean-Michel Claverie (profesor de la Université de la Méditerranée). Los físicos en realidad quería para validar este trabajo sobre un objeto biológico como «espectacular» ya que su láser. Los investigadores en Marsella por lo tanto, suministra el objeto del estudio, el Mimivirus (2) de las partículas, y eran responsables de la preparación y la optimización de las muestras necesarias para los experimentos.

Este trabajo confirma la viabilidad de utilizar un acelerador de partículas como una herramienta de la biología estructural para obtener, en un único láser «flash», una fotografía de partículas únicas (virus, bacterias, proteínas, células, etc) y representa un «histórico» el paso adelante en el campo de la biología estructural. De hecho, hasta ahora, dos técnicas se han utilizado para estudiar los objetos biológicos: radiocristallography y microscopía electrónica. Sin embargo, los requisitos de estas técnicas (de los objetivos debe ser «cristalizable», simétrica, estática y de tamaño adecuado) (3) excluir a la mayoría de los objetos biológicos y distorsionar los resultados, ya que asumen que todas las moléculas son idénticas e imponer una simetría que es a menudo no es real. Con el láser LCLS, cada partícula puede ser estudiado individualmente, cualquiera que sea su tamaño o propiedades. Esta técnica por lo tanto, anuncia una nueva era: la biología estructural de objetos únicos. Europa se prepara para asumir este nuevo reto con su propia herramienta, llamada «XFEL» en Hamburgo.

El láser LCLS hará posible el estudio de la superficie y el interior de las partículas, ya que los rayos X puede pasar a través de las muestras. La resolución actual de las imágenes obtenidas es de varios nanómetros (1 nm = 10 -9 m). Los investigadores están trabajando para optimizar estas actuaciones y lograr una resolución del orden de varios angstroms (1 Å ​​= 10 -10 m). Los experimentos planeados en los próximos meses debe hacer posible la obtención de la completa estructura tridimensional (interno cápside y nucleocápside) de una partícula Mimivirus en la escala nanométrica y comparar varias partículas mimivirus.Los investigadores por lo tanto podría explorar, por primera vez, la existencia de polimorfismo estructural de partículas virales.

 

Imagen de la partícula viral de Mimivirus


© Seibert et al.

Reconstitución de la imagen de dos partículas virales de Mimivirus obtenidos con el láser LCLS.


Imagen de la partícula viral de Mimivirus


© Seibert et al.


 

Notas:

1 – El consorcio está encabezado por Janos Hajdu de la Universidad de Uppsala en Suecia. 
2 – El Mimivirus, descubierto en 2003 por los equipos del CNRS de Didier Raoult y Jean-Michel Claverie, en Marsella, es el virus de ADN más grande conocido hasta la fecha. 
3 – Radiocristallography utiliza la cristalización de un gran número de objetos idénticos en una red regular para amplificar las señales de difracción individuales. La microscopía electrónica utiliza las simetrías (real o aproximado) de los objetos para reconstituir su estructura tridimensional de una mulcenas de miles)

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