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Jun 06, 2023

Un algoritmo per film proteici più nitidi

Paul Scherrer Institute image: Physicist Cecilia Casadei was part of an

Istituto Paul Scherrer

immagine: La fisica Cecilia Casadei faceva parte di un team internazionale che ha sviluppato un nuovo algoritmo di analisi. Con il loro metodo, chiamato "analisi spettrale passa-basso", i dati raccolti quando le proteine ​​vengono misurate con laser a elettroni liberi a raggi X possono essere valutati in modo più efficiente di prima.vedere di più

Crediti: Istituto Paul Scherrer/Mahir Dzambegovic

Le proteine ​​sono molecole biologiche che svolgono quasi tutti i compiti biochimici in tutte le forme di vita. In tal modo, le minuscole strutture eseguono movimenti ultraveloci. Per studiare questi processi dinamici in modo più preciso di prima, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo che può essere utilizzato per valutare in modo più efficiente le misurazioni sui laser a elettroni liberi a raggi X come lo SwissFEL. Ora lo hanno presentato sulla rivista Structural Dynamics.

A volte, quando si utilizza il sistema di navigazione mentre si viaggia in auto, il dispositivo localizza l'utente fuori strada per un breve periodo. Ciò è dovuto all'imprecisione del posizionamento GPS, che può arrivare a diversi metri. Tuttavia, l'algoritmo del navigatore se ne accorgerà presto e correggerà la traiettoria visualizzata sullo schermo, ovvero lo rimetterà sulla strada.

Un principio comparabile per affrontare sequenze di movimento irrealistiche è stato ora applicato con successo da un team di ricercatori guidati dalla fisica del PSI Cecilia Casadei. Ma il loro oggetto di indagine sono circa un miliardo di volte più piccoli di un’automobile: le proteine. Questi elementi costitutivi della vita svolgono funzioni cruciali in tutti gli organismi conosciuti. In tal modo, spesso eseguono movimenti ultraveloci. L’analisi precisa di questi movimenti è fondamentale per la nostra comprensione delle proteine ​​che possono aiutarci, tra le altre cose, a produrre nuovi agenti medici.

Come "filmare" le proteine...

Per migliorare ulteriormente la comprensione dei movimenti delle proteine, Casadei, insieme ad altri ricercatori del PSI, un ricercatore del DESY di Amburgo e altri colleghi dell'Università del Wisconsin a Milwaukee, USA, ha sviluppato un algoritmo che valuta i dati ottenuti in esperimenti ad un X- laser a elettroni liberi a raggi (XFEL). Un XFEL è una struttura di ricerca su larga scala che fornisce lampi estremamente intensi e brevi di luce a raggi X di qualità laser. Qui, un metodo chiamato cristallografia a raggi X seriale al femtosecondo risolta nel tempo (TR-SFX) può essere utilizzato per studiare i movimenti ultraveloci delle proteine.

Le misurazioni sono molto complesse per diversi motivi: le proteine ​​sono troppo piccole per essere riprese direttamente, i loro movimenti sono incredibilmente veloci e l’intenso impulso della luce a raggi X di un FEL distrugge completamente le proteine. A livello sperimentale, TR-SFX risolve già tutti questi problemi: non viene misurata alcuna singola molecola, ma piuttosto un gran numero di molecole proteiche identiche vengono indotte a crescere insieme in una disposizione regolare per formare cristalli proteici. Quando la luce dei raggi X FEL colpisce questi cristalli, l'informazione viene catturata in tempo prima che i cristalli e le loro proteine ​​vengano distrutti dall'impulso di luce. I dati grezzi delle misurazioni sono disponibili come cosiddette immagini di diffrazione: punti luminosi che vengono creati dalla disposizione regolare delle proteine ​​nel cristallo e registrati da un rilevatore.

... e come valutare i dati di misurazione

Laddove le sfide sperimentali sono state superate, la valutazione dei dati è appena iniziata. "La misurazione di ogni singolo cristallo fornisce solo il 2% dei dati di un'immagine completa." Questa incompletezza ha ragioni fisiche e sperimentali e può essere eliminata solo combinando in modo significativo i dati di misurazione di molti cristalli. La ricerca di Casadei si concentra proprio su come procedere in questo senso.

Il metodo finora adottato è denominato “binning and merging”. "Molto è stato ottenuto con questo metodo nell'ultimo decennio", afferma Casadei. Con questo metodo, i dati vengono divisi in intervalli di tempo e viene calcolata la media di tutti i dati all'interno di un intervallo, un "contenitore". Tuttavia, in questa media si perdono anche molte informazioni dettagliate. "Si potrebbe dire che le singole immagini della pellicola proteica risultano poi tutte un po' sbiadite", continua Casadei. "Ecco perché abbiamo sviluppato un metodo che ci consente di ottenere di più dai dati di misurazione."